【摘要】分析了大型电站锅炉鼓引风机主轴采用焊接空心轴的可行性。介绍了空心轴焊接的具体工艺方法。指出了其实用效果及经济效益。 前言 随着电站单机容量的增加，离心通风机的尺寸、重量将大大增加。平舆电厂60万kw机组采用的Y4-2X73№37F型双吸离心式引风机，其叶轮直径达3.7m，主轴轴颈为360mm，全长为11195mm，重量达23700kg。这不仅给制造、运输、安装、运行及维修带来困难，而且还提高了制造成本和设备价格。 由于主轴较重需采用滑动轴承，相应的配有润滑油站、高位油箱及盘车装置等许多辅助设备，既增加了设备的投资，又占用了较大的生产场地。因此，在大型通风机中采用空心轴是一个急需解决的大问题。 目前，国产大型通风机采用空心主轴结构的甚少，而部分进口离心式引风机普遍采用了空心轴的结构，并且运行良好。如清河、马头、神头3个电厂从前苏联引进的7台20万kw燃煤锅炉，其中14台Ⅱ25x2ⅢB型离心式引风机均采用了空心主轴的结构，黄台电厂从日本引进的1台30万kw燃煤锅炉所配置的离心式引风机也采用了空心轴结构；成都电力机械厂为烟台电厂20万kw燃煤锅炉研制了锻造空心轴（即锻造后再掏空）已经安全运转6年，实践证明，在大型通风机设计上采用空心轴结构是完全可行的。 焊接空心轴的主要工作 空心轴在工艺方面需闯三关。即焊接关、车工关及装配关。而焊接关是决定空心轴能否成功的关键。 空心轴焊接结构的设计 确定Y4-2X73№28.5F引风机中的主轴用空心轴。该风机是双吸入双支撑形式，根据轴的几何形状和尺寸，设计、工艺共同确定了空心轴的结构。主轴中间大部分为厚壁无缝钢管，空心管的两端为实心轴头，实心轴头与空心管采用焊接的方式连接在一起。 采用这种结构形式的空心轴关键在于：a、空心轴的材料及性能b、焊接坡口的形式及工艺试验c、空心轴的焊接  2）空心轴的材料及性能 空心轴所用钢管是从德国进口的无缝钢管，材料为12C1MoV。此材料为耐热钢，在引风机200℃烟气下工作其机械性能变化不大；且材料的机械性能可以满足设计要求；在焊接方面，只要采取合理的工艺措施是可以焊接的。 3）轴头的材料及性能 轴头采用16Mn锻件，材料的机械性能见下表，粗加工后调质处理 &Dela;b（MPa） &Dela;s（MPa &Dela;s（%） ψ（%） Ak（J/cm2） ≥490 ≥245 ≥15 ≥40 ≥50 3）焊接坡口的形式及工艺试验 焊接坡口形式的确定 要想保证空心轴焊后强度，首先要确定合理的焊接坡口形式，根据坡口形式去做具体的工艺试验，采用的坡口形式为下图，这种坡口形式的优点在于，当施焊人员对U型槽底进行氩弧焊封底时，靠铁水子熔，很容易焊透钢管与轴头的接合处。另外，在钢管距坡口中心处钻通氩气保护的通气孔，在轴头处钻出排气孔。利用氩气进行封底保护有利于焊缝成型，防止焊缝金属氧化。这对主轴在运转过程中，因接合处而发生的疲劳扩散有一定的抑制作用。通过焊接工艺试验，证明了这种坡口形式是科学合理的。 焊接工艺试验 要保证空心轴焊接成功，一定要做必要的工艺试验，通过试验做到心中有数，从而编制出合理的焊接工艺。 12C1MoV钢抗焊接氢致裂纹敏感性的评定：进行插销试验和铁研试验。这两种试验均采用φ4mm，R317焊条手动电弧焊，焊条经过350℃X2h烘干处理。焊接速度：150mm/min，电流170A，电弧电压：22~25V。 试验结果：从插销试验和铁研试验的结果，预热温度100℃和150℃对氢裂纹不敏感，没有氢脆问题。所以确认12C1MoV钢的预热温度为100~150℃。 12C1MoV钢埋弧焊焊接接头抗旋转弯曲疲劳性能的评定：埋弧焊工艺及焊丝、焊剂。埋弧焊采用双U型坡口，板厚40mm，手工埋弧焊打底，双面采用φ4mm，H08CMoVA焊丝，HJ350焊剂。 工艺参数包括手工氩弧焊和埋弧焊。 手工氩弧焊 电弧电压：11V焊接电流：180A焊接速度：15.4m/h氩气流量：9L/min不填焊丝。 埋弧焊 焊接电压：37V焊接电流：500A焊接速度21m/h试板焊后石棉布保温缓冷，经650~700热处理 试验后的结果表明，旋转疲劳极限343MPa，这一结果对12C1MoV的材料来说是比较高的。因为工作应力不会超过屈服极限395MPa，因此是安全的，用埋伏焊焊接的焊缝不会产生疲劳裂纹。 4）用耐热钢R317焊条做斜Y型坡口焊接裂纹试验，通过这种试验看其热影响区是否产生冷裂纹，也可看出焊缝冷裂纹、热裂纹或再热裂纹。 5)通过钢性固定对接试验看其焊缝是否产生热裂纹或再热裂纹，也可检验热影响区是否产生冷裂纹。 6)选用R317焊条做焊接接头机械性能试验，各项指标均达到设计要求，证明所选焊接材料、工艺规范各项参数的正确性。 7）钨极氩弧焊封底试验。按其焊缝的结构形式模拟加工出焊接时的坡口形式惊醒氩弧焊封底试验，由此选择出封底焊的最佳焊接规范，确定封底电流，从而获得理想的封底效果。 4、焊前准备工作    1）焊接转胎的调试 选择本厂自制10吨转胎，通过调试使转胎运转过程缓慢、平稳，与焊接时的速度相匹配。运转一周，轴的轴向、纵向位置不窜动，周而复始保持焊缝中心位置不变。 2）焊接加热器的调试 由于轴的长度（近10m）所限，只能预热一端焊一端。选择φ670mm红外线加热器，用电控柜进行控制加温，主要预热焊缝两侧，致使温度保持在150~200℃之间；选用φ330mm的红外线加热器，用交流电焊机做电源控制，主要加热轴头靠近焊缝侧。这种加热方法，使轴头的热膨胀伸长量走向焊缝，有利焊缝的封底、焊接，保证焊接不产生裂纹。 3）焊接电源的调试 a、氩弧焊封底所采用的焊接设备为我厂购置美国Mille公司的焊接设备。该焊机经过调试，电压基本不受网络电压影响而波动，焊接时所选用的焊接电流一旦固定，整个焊接封底过程中，电流波动为±1A，保证了封底时既能焊透又成型美观。 b、多头式子母焊机是封底后手工电弧焊的设备。该设备是通过变阻器来调节电流大小的，通过调试，电流可达预想的效果。 4）焊工的培训 a、对氩弧焊封底的焊工培训。试板的坡口形式与空心轴的坡口形式相同。采用正式焊接的规范进行操作练习，工艺人员从理论上、实际操作上进行现场指导，使焊工掌握要领，焊接后对试件检查、确认，使焊工真正掌握氩弧焊封底要领，为空心轴焊接氩弧焊封底打下坚实基础。 b、焊工培训的另一个重点是手工电弧焊，在封底后检查合格的试件上，用R317焊条施焊各层。在焊接过程中，注意坡口两侧要充分熔合，避免夹渣、未焊透、未熔合等缺陷发生。在确认工艺规范的同时，提高焊接技术，为空心轴一次焊接成功奠定基础。 三、空心轴的焊接程序 1）拼装点固 先装一端轴头，检查合格后趁热装，将6块拉筋（40X100X400 Q235A）等分对称焊至钢管与轴头两侧。 焊条牌号：J427焊条直径φ4mm 焊接电源：直流反接焊接电流：160~180A 焊脚高度：不大于10mm 然后再热装另一端轴头，按上述要求焊一端轴头与钢管的拉筋。 2）焊前准备 a核对按图样尺寸要求核对焊接坡口尺寸及空心轴的拼装点固焊接质量。 b清洗将焊接坡口内及距焊缝坡口50mm内的外表面的油、绣等污物，用丙酮、酒精清洗干净。 c、安装好充背氩的冲氩气系统。 d、将R317焊条：φ4、φ5mm焊条经350℃x2h烘干处理；将HJ350焊条经350~400℃x2h烘焙处理；将H08CMoVA焊丝：φ4mm焊丝清除油、锈。 e、包保温材料：将两焊缝的两侧分别用无碱玻璃丝棉布包扎好，放到滚轮胎上 f、预热将红外线加热器根据主轴距地面高度，调到合适的位置，并用角钢做支架，放好焊牢，使主轴能自由转动。预热温度为200~250℃。 g、调试红外线预热器接通电源，调试好埋弧自动焊操作架，检查滚轮转胎启动是否正常，确保无误后再正式焊接。 h、充背氩气流量：3~5L/min；确保空心轴内的空气完全排出 3)钨极氩弧焊封底 1、焊接工艺焊接电源为AVE350焊接电流为10~12A氩气流量为8~12L/min熔池形成时间为5秒，焊接速度为2.52m/h氩气滞后时间为3~5秒，钨极自己为φ3mm焊嘴尺寸为φ10mm。焊接时要对称施焊。 2、后热将封底焊好的焊缝加热到350~400℃保温2~3小时后，缓冷至室温。 3、检查对焊缝进行着色探伤检查。 4、氩弧焊封底焊接另一端焊缝。 5、后热另一端 6、检查对焊缝进行着色探伤检查 4）焊接 1、手工电弧焊将工件用红外线加热器预热后做手工电弧焊焊条牌号317焊条直径φ4~5 2、气割将焊缝处的拉筋用乙炔气割，割掉。切割时，不可将工件表面割伤。 3、埋弧自动焊将工件用红外线加热器预热后做埋弧自动焊焊剂：HJ350焊丝：H08CMoVA   焊丝直径：φ4 4、后热将焊缝处加热到350~400℃/2h做消氢处理 5、按上诉工艺手工电弧焊，焊接另一端焊缝 6、气割另一端的拉筋 7、按上述工艺埋弧自动焊，焊接另一端焊缝 8、检查按图样要求，对焊缝做超声波检查，然后再检查拉筋处的焊缝，若有咬肉、割伤，要进行补焊，补焊工艺与正式焊接工艺相同 5）消应力 检查合格后做消应力处理 空心轴的焊接时在有充分的准备，万事俱备的条件下进行的，焊接过程中，注意坡口两侧充分熔合，严防夹渣、未熔合。焊后清渣，除去焊瘤、飞溅。由于焊工操作认真，工艺人员跟班指导，进行每道焊缝的检查、认可，从而使空心轴焊后超声波探伤100%合格，达到国家标准。 空心轴焊接的实用性及经济效益 原实心轴重13600kg，改为空心轴重6660kg，减少重量6940kg，减轻重量达51%。该空心轴在河南安阳电厂运行6年，情况良好。可用于30万kw发电机组以上的锅炉送引风机和150m2以上大型烧结引风机等风机上。在不计烟气中粉尘磨损情况下，引风机主轴寿命大于5年，送风机寿命大于8年。经计算，各项技术指标均满足设计要求，故可靠性与实心轴基本相同，且临界转速有所提高，实心轴为960/min，空心轴临界转速为1089/min，提高11.7%。     原实心轴单价约50万元，现空心轴单价约15万元，扣除空心轴厂内制造成本略高和首次试制的因素，每根主轴至少可节约25万元以上，可见在保证实心轴风机相同利润的前提下，可降低风机成本，增强了市场的竞争力。

风机是用于排送气体的机械的总称，根据其排气压力的高低，分为通风机（p≤15000Pa）、鼓风机（15000Pa＜p≤1.96&imes;105Pa）和透平压缩机 （p＞1.96&imes;105Pa）。 一、风机在冶金行业的应用 　　风机在钢铁与其它金属材料的冶炼过程中占有极重要的位置。 　　从矿石到炼成钢要经过矿石烧结、炼铁和炼钢等主要冶炼过程，即钢铁冶炼的全部工艺流程中都需要风机。 　　1、烧结风机 　　冶炼用的矿石在冶炼之前对矿石要进行烧结，烧结要用烧结机，而烧结炉则需用烟气主抽风机和冷却通风机。例如某中型钢厂有两个矿石烧结车间，一个装有62.5m2烧结机5台的车间，共使用风机29台，其中用在烧结机上有18台；另一个装有75m2烧结机3台的车间，共使用风机90台，其中用在烧结机上有8台，其它风机用在通风、除尘、降温及冷却。 风机行业生产的抽送烧结烟气的离心鼓风机有几十种型号规格，现举出几种型号的性能参数。 由沈阳鼓风机厂生产的D1600、D2000抽送烧结烟气的离心鼓风机，是为18~24m2烧结机配套的设备。该类鼓风机为单级单吸入双支撑结构，用电动机直接驱动。铸铁机壳水平剖分为上下两半，下机壳安装左右铸铁底座上。转子由优质碳素钢主轴、低合金结构钢焊接叶轮及轴套等组成。轴承为滑动轴承。 　　D1600离心鼓风机主要性能参数：流量为1600m3/min，进口压力89.73kPa，升压8.33kPa，转速1485/min，功率334kW。 　　由沈阳鼓风机厂生产的S6500抽送烧结烟气的离心鼓风机，适用于75~90m2烧结机配套。其结构特点为单级双吸入双支承结构，用弹性联轴器与电动机直联。机壳水平剖分为上下两半并轴向剖分为三段，左右段为两个进气管向上的结构对称的进气室，中段为下部有水平出气管的蜗壳，出气管口附加有锥形扩压管。 　　S6500离心鼓风机主要性能参数：流量为6500m3/min，出口压力101.31kPa，进口压力89.05kPa，转速1475/min，功率1640kW。 　　目前国内最大的烧结鼓风机是陕西鼓风机厂生产的SJ16000型,流量16000m3/min，功率达5000kW。 2、焦炉煤气输送鼓风机 　　焦炭是冶炼钢铁的主要燃料和还原剂，也是高炉中料粒的支撑剂和疏松剂，而炼焦炉内的煤气须经风机抽出后，一部分作为炼焦炉的燃料，一部分加压后送往钢厂作为燃料，另一部分用作生产其它副产品。 　　焦炉煤气输送的典型代表产品是沈阳鼓风机厂生产的D1250-31型离心鼓风机。其主要结构特点是机组由电动机、齿轮增速机、离心鼓风机、润滑系统和仪控系统组成。机壳为水平剖分式结构，轴承箱下面有横纵向定位键槽，以保持机体良好对中，并能适应机壳热膨胀；轴承箱与壳体铸成一体，增强刚度便于拆卸检修。 　　转子由主轴、3个叶轮、隔套、平衡盘和半联轴器等组成；叶轮采用高强度合金钢焊接结构。 　　轴承分为支撑轴承和止推轴承两部分，支撑轴承为椭圆瓦滑动轴承，止推轴承为米切尔双面止推滑动轴承。 　　密封设在级间、叶轮进口、平衡盘外围及轴两端，均为迷宫式拉别令密封。 　　其主要性能参数：进口流量为1250m3/min，进口压力98.07kPa，出口压力313.82kPa，主轴转速4776/min，功率3670kW。 3、高炉鼓风机 　　在生铁冶炼过程中，必须用高炉鼓风机向高炉输送一定量助燃的空气（或氧气）以提高炉内温度。此外，还需要将燃烧空气送到热风炉里的离心通风机。 　　氧气对钢铁工业在于强化冶炼过程。在炼钢方面用于氧气顶吹转炉炼钢，氧气底吹转炉炼钢，平炉熔池吹氧炼钢，电炉氧气炼钢等多种。 特别是氧气顶吹转炉炼钢已成为钢铁工业飞跃发展的一条主要途径。炼钢用氧量非常之大，它是使用空气分离设备从空气中采用深度冷冻法而取得。每套制氧机中必须使用空气压缩机、氧气压缩机、加热鼓风机和透平膨胀机，即一般所称的&quo;制氧四大机&quo;。 　　高炉鼓风机的典型代表产品是陕西鼓风机厂生产的轴流压缩机A系列（静叶不可调）和AV系列（静叶可调）。其主要性能参数：A40~A112，流量范围65~680（&imes;103Nm3/h），压比2.9~7.7，转速3410~9549/min，功率33~690（&imes;102kW）。 AV40~AV140，流量范围70~1050（&imes;103Nm3/h），压比2.7~7.2，转速2524~8833/min，功率34~900（&imes;102kW）。 4、转炉二次烟气除尘风机 　　转炉二次烟气除尘系统是指转炉烟气净化回收以外的各扬尘点的烟气收集和除尘。其中包括转炉兑铁、转炉吹炼、吹氩站、铁水扒渣站及铁水倒罐站等的烟气除尘。 　　烟气除尘所用的风机主要有4-73型、JY5-44型及5-51型。 　　4-73型为通用型，从№8~28共12种规格。其性能范围：流量6156~680000m3/h，压力1400~5423Pa，功率18.5~1250kW，转速480~1450/min。 JY5-44型引风机从№16~31.5共12种规格，其性能范围：流量1893~397000m3/h，压力1922~10931Pa，功率75~1000kW，转速580~1450/min。 5-51型风机从№8~29.5共20种规格（包括引风机共40种规格）。该型风机的主要特点是具有可调节进风口、高强度耐磨叶轮、防漏油轴承箱及关节式轴向调节门等先进的技术。其性能范围：流量9900~583000m3/h，压力1468~10095Pa，功率15~1600kW，转速480~1450/min。 5、钢厂动力站用离心式压缩机 　动力站用离心压缩机的典型产品是沈阳鼓风机厂生产的DH型和SVK型压缩机。 　DH系列为双轴4级等温压缩机，其主要型号为DH35、DH63、DH71及DH80等。主要性能范围：流量6000~58000Nm3/min，出口压力617~666.9kPa，功率650~5100kW，转速7784~18982/min。 SVK离心压缩机是在引进技术的基础上开发的。主要特点是整体组装式结构，压缩机、齿轮箱、中间气体冷却器及润滑油系统用1个公用底座。 进口设置有进口调节叶片，是优化压缩机非工况点运行性能的最经济的方法。进口调节叶片根据现场实际运行情况自动调节，可以在气流变化中实现压缩机出口的定压输出。主要性能：流量2000~36000m3/h，压比2~17。 6、化铁炉用风机 　　除钢铁冶炼工艺过程中需用风机外，一般机械铸造工厂常用的化铁炉（如冲天炉、油炉及煤粉炉等），都需用鼓风机（高压通风机或鼓风机）压送足够的空气加以助燃。 　　其典型代表产品是吉林市鼓风机厂生产的H10-13及湖北省风机厂生产的HTD系列化铁炉风机。 H10-13是高压离心通风机，是为卡腰冲天炉所需性能而设计的，适用于化铁率5/h以下的卡腰冲天炉鼓风。共有№6、№6.3、№6.9及№7.5共4种规格，其性能范围：流量1690~6980m3/h，压力8973~15103Pa，功率15~37kW，转速940/min。　　 HTD系列离心鼓风机可配用0.5、1、2、3、5、7、10及15/h常见的各种炉型的化铁炉。其性能范围：流量12~300m3/h，压力6860~27450Pa，功率5.5~185kW，转速2900~5750/min。 7、高炉煤气余压回收透平发电装置 　　高炉煤气余压回收透平发电装置（TopGasPessueRecoveyTubine，简称TRT装置），是利用高炉炉顶煤气压力能经透平膨胀作功，驱动发电机发电的能量回收装置。TRT装置既回收了原减压阀泄放的能量（约占高炉鼓风机所需能量的30%），又净化了煤气，并且改善了高炉炉顶压力的控制品质。 　　其产品是陕西鼓风机厂生产的TP系列，性能范围：流量1360~1916m3/h，压力2.03~2.5kPa（进口），1.09~1.153kPa（出口），功率2770kW，转速3000/min。 二、未来的发展趋势 　　冶金工业所用的风机种类尽管有许多种，但相对来讲有一定难度，能代表风机设计制造水平的可分为3种，即轴流式压缩机、烧结引风机和高炉煤气余压回收透平发电装置。下面就以这3种风机为例探讨其未来的发展趋势。上述这3种风机，总体来讲国外的技术水平高于国内，国外的先进技术水平就是国内应积极努力的未来发展趋势。 1、轴流式压缩机 　　轴流式压缩机具有效率高，容量大，性能调节范围宽等特点。目前国外1000m3以上的高炉皆采用轴流压缩机。作为高炉鼓风用的轴流压缩机，其流量已达10000m3/min，压力达0.69MPa,功率已达70000kW。 　　国外生产轴流压缩机的主要厂家有瑞士苏尔寿公司、德国MANGHH、日本三菱重工株式会社、川崎重工株式会社和美国爱利奥特公司、DRESER-RAND公司。国内陕西鼓风机厂生产轴流式压缩机。 瑞士苏尔寿公司的轴流压缩机具有独特的设计结构和良好的气动性能（整机多变效率为87%~91%，最大流量和最小流量可调范围达1倍多），以及先进的高度三化水平和电子控制系统。其结构特点是：机壳为水平剖分型，由灰铸铁（或铸钢）制成，排气侧设计承压值可达0.7~1.2MPa，转子为等内径型，多级节盘式结构，动、静叶片皆采用修正了的美国NACA原始叶型。采用全静叶可调结构比固定静叶型的压缩机，流量范围可扩大1倍。该公司生产的ARI系列轴流-离心复合式等温压缩机的流量范围为1400~7500m3/min，压比为7~11。该产品具有较高的技术水平。 　　近年来，为了提高轴流压缩机的效率，苏尔寿公司采用混合反动度设计方法改善了级间匹配。减少动叶叶顶与机壳间间隙也能提高压缩机性能和效率。在降低轴流压缩机噪声方面，国外多放在隔声、消声上，其措施是：（1）采用加厚铸造机壳，减弱噪声散射；（2）采用隔声罩和消声器，减少噪声扩散。 　　利用电子计算机作为调节的中枢指令系统，实现轴流压缩机的调节自动化，运行最佳化。 2、烧结引风机 　　烧结引风机作为烧结机配套的主抽烟机，其耗电量大约占烧结厂总耗电量的50%以上。又因其输送的介质为烧结烟气，含尘量大，因此，提高效率，降低能耗，加强耐磨措施，提高使用寿命，仍是烧结引风机的主要技术课题。 　　烧结引风机的风量取决于烧结机的烧结面积；压力取决于烧结料层的厚度。 烧结机的大型化（已可生产1000m2的烧结机）和厚料层（已达700mm），促使烧结引风机向大风量、高负压方向发展。烧结引风机的最大流量为400003/min，最高压力为19620Pa，最大功率为14500kW。 　　由于制造工艺条件和运输条件等因素的限制，特大型烧结机配套的烧结引风机往往采用双机并联形式。 　　烧结引风机的耐磨措施： 　　（1）锯齿形中盘不仅可以改善叶轮出口气流分布和降低GD2，而且可避免烟气对中盘的冲刷； 　　（2）叶片上装有可更换的耐磨衬板（衬板表面堆焊碳化钨）； 　　（3）由可更换的锥盘保护中盘不受磨损； 　　（4）机壳装有涡形衬板和侧衬板； 　　（5）表面涂覆涂覆陶瓷防磨涂料、涂覆树酯、石英粉加水玻璃等涂料； 　　（6）表面强化处理表面堆焊、热喷涂、渗硼、激光表面硬化和高频淬火等。 　　目前，国外正在进行关于烧结引风机气动设计计算的二相流（固体微粒和烧结烟气）的研究，试图从空气动力学方面来进一步解决烧结引风机的磨损问题。 3、高炉煤气余压回收透平发电装置（TRT） 　　该装置发展最快、水平最高的是日本。据1987年资料统计，1500m3 以上的高炉共47座，安装了38套TRT装置；2000m3以上的高炉共38座，安装了35套TRT装置。目前无论是TRT装置的质量、数量，还是效率，日本都处于领先地位。 　　随着高炉向大型化和高压炉顶方向发展，国外TRT装置随之向干式、轴流型及静叶可调方向发展。 　　轴流型透平转子一般为2级或3级，多采用反动度为50%的叶型，动叶片采用抗腐蚀疲劳强度的SUS630不锈钢。机壳用钢板焊接而成，亦可用高强度铸铁制成，一般为径向进气，轴向排气（亦可下部径向排气）。轴封一般采用氮气密封，近来亦有采用非接触机械密封。 　　国外轴流型TRT装置，大多数采用静叶角度调节方式，以扩大工况范围，有利于减少噪声，提高膨胀透平的可靠性，并且不会影响高炉压力的波动。