罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法

2023-11-05 19:05:57 1

專利名稱：罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法
技術領域：
本發明涉及風機，特別是一種罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法。
背景技術：
罩式爐高溫循環風機葉輪原為引進的進口設備，國內第一次製造，世界第二套，毫無經驗可以借鑑，此種風機的設計難度很大，主要是集中以下幾點
I.爐內循環溫度高，達800°C，在此溫度下需要保證風機安全穩定運行。

2.由於爐內循環氣體是一種變工況運行，我們通過調節風機的轉速來滿足不同運行狀態下的爐內工況條件，所以風機在運行過程中，不僅需要考慮變轉速對風機的影響，同時還需要考慮在不同的轉速下，風機能否滿足循環氣體的工況要求。3.根據國家相關減排法案的要求，能否把風機的效率提高到80%以上。4.由於風機在最高轉速2500r/min下運行，所以需要對風機的焊接提出相當高的要求，根據焊接工藝，對風機進行焊接，同時對相關焊縫進行超聲波檢查，以檢查焊縫是否焊透。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，提聞風機葉輪的使用壽命。本發明解決其技術問題採用以下方案
本發明提供的罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，其步驟包括
第一步根據爐內循環工況的氣體參數，進行氣動性能設計，設計出滿足爐內循環工況條件運行的風機；
第二步通過三維繪圖軟體soildworks建模,對風機性能進行校核，同時根據模型的受力分析，正確採用性價比較高的材料；
第三步通過工藝放樣，對每一個零件的展開圖形進行繪製，通過繪製的圖形，對零件進行下料，然後利用模具壓模，從而製作出風機的每一個零部件；
第四步根據焊接工藝，對風機進行焊接，並且對相關焊縫進行超聲波探傷檢查，以檢查焊縫是否焊透；在風機葉輪氣流進口處受力最大的地方焊接一塊腹板，加大葉片的厚度，以提高風機的使用壽命。所述腹板為葉片的加強板，在葉片最薄弱的、受力最大的地方貼上腹板，使得葉片得到加強，增加葉輪的使用壽命。第五步風機焊接完畢後需要作退火處理，以消除風機內應力。所述退火處理工藝為熱處理時，先從常溫經過4. 5小時升溫至930°C，然後在930°C保溫3小時，停止加熱冷卻，冷卻至500°C後開爐冷卻至常溫後出爐，在整個過程中，需要對溫度和時間進行準確的控制，通過熱處理後，消除焊接應力；
第六步對已製作完畢的風機進行動平衡校核，使風機葉輪不平衡精度達到設計要求，該風機葉輪不平衡精度一般為G3. 0 ；經過上述的步驟，製成罩式爐高溫循環風機葉輪。本發明根據罩式爐高溫葉輪的使用有關參數，包括流量為95000M3/h，壓力為850Pa，溫度為800°C，風機轉速450_2500rad/min，然後採用以下方法進行設計，保證風機葉輪在每一個轉速下均滿足工況要求，設計步驟可以包括
(1)根據伯努利方程HPOL=R* O * A T=87. 1675
式中氣體常數R=29. 3，此數值是依據循環氣體成份主要為空氣來確定；指數係數O =K/(K-I) npol=2. 975，其中K為絕熱指數，K=L 4，此數值是依據循環氣體主要為氫氣來確定；npol為風機效率，取85%在風機使用中進行測量計算；AT為風機運行過程中溫度差，在循環風機中忽略不計；
(2)確定風機葉輪線速度U2
根據HP0L=X*U22公式，按照能量頭係數X=O. 0157，來計算出U2=75m/s ；
(3)確定風機葉輪外徑D2
根據U2=JiD2n/60公式，其中為圓周率，電機轉速n為450轉速，來計算出D2=955mm，最終確定風機外徑D2=950mm ；
(4)根據風機葉輪行業試驗，得出下述經驗公式
Dl/ D2=0. 55-0. 62，其中風機進口直徑 Dl=590mm，
通過上述步驟，設計出滿足爐內循環工況條件運行的風機葉輪，風機有效直徑為950mm，葉片數量為15片，葉片為雙弧線，並且對出口部分葉片採用小於90°的後向葉片，對於進口部分的葉片採用90°徑向型葉片。本發明可以利用三維繪圖軟體soildwroks對該風機進行I: I建模,最大限度模擬風機葉輪的工作環境，使風機通過在三維軟體中模擬運行，檢測上述計算以及經驗選取是否正確，同時根據風機的受力分析，對採用最合理化的製作材料提供依據。本發明在製作過程中，需對風機的前盤、後盤以及葉片進行放樣，然後通過放樣尺寸對材料進行下料，通過模具對放樣的材料實體進行壓模成型。本發明在製作罩式爐高溫循環風機葉輪的過程中，對焊接質量有嚴格要求，具體如下
(1)在焊接時，需對焊接過程進行嚴格的控制；
(2)在焊接完畢後，需對焊縫進行著色、滲透檢查，保證無氣孔，無裂紋未融合；
(3)檢查未出現嚴重咬邊缺陷；
(4)著色完畢後，需要對每條焊縫進行超聲波探傷檢查，必須焊透，並達到JB4730-94《壓力容器無損檢測》一級標準。本發明與現有技術相比具有以下的主要優點
由於罩式爐高溫循環風機葉輪運行時，工況介質溫度高，同時爐內循環氣體的溫度隨爐內運行環境的變化而變化，為了保證風機能夠滿足工況運行，我們在設計時採用量體裁衣的設計辦法，對風機進行定量的設計計算，通過理論計算以及風機行業裡多年的經驗法貝U，採用風機有效直徑950mm，葉片數量為15片，葉片為雙弧線，其中對出口部分葉片我們採用小於90°的後向葉片(後向葉片產生的壓頭大，效率高)，對於進口部分的葉片採用90°徑向型葉片，便於氣體更好的進入風機。雖然量體裁衣的辦法運算量很大，但是由於定量的設計可以較好的制定風機性能，以及較為準確的確定風機在運行過程中的各項參數。而且該設計在完成後，我們通過國內最先進三維軟體(soildwors)進行設計校核，這樣有利於提高風機設計的準確性。同時由於該風機使用的工況是溫度高以及變工況的特點，我們通過三維軟體的精確計算，從而準確的確定出風機在不同溫度下，風機所承受的準確應力，根據計算的結果，我們對原有的進口材料進行了替換，採用的國內價格相對比較便宜的材料，這樣不僅可以降低生產成本，同時也對該風機國內推廣起到較好作用。採用本方法製造出的第一臺高溫風機葉輪上爐臺實驗的數據，請見表1，由表I可知採用上述方法設計和製作的葉輪完全可以滿足生產要求，各項指標完全達到了設計要求。


圖I為罩式爐高溫循環風機葉輪的結構示意圖。

圖2為圖I的左視圖。圖3為熱處理曲線圖。圖中1.前盤；2.出口葉片；3.後盤；4.進口葉片；5.軸盤；6.腹板。
具體實施例方式本發明根據罩式爐高溫循環風機葉輪的內部工況，特別是罩式爐高溫循環風機葉輪的氣體流動性能特點以及工作原理，提供一種適用於爐內循環氣體所用的一種風機葉輪的製造方法，從而替代原有進口設備循環風機葉輪，根據風機流量95000m3/h，溫度為800°C，對風機進行定量的設計計算，通過理論計算以及風機行業裡多年的經驗法則，確定風機的結構，然後利用soildworks進行建模分析，對風機不利於爐內循環運行的相關結構進行修改，最終設計出以達到爐內循環氣體的要求的風機。然後按照上述圖紙，對風機進行放樣，利用放樣的圖紙，對材料進行下料，然後利用模具對風機各個零部件進行壓模，利用焊接技術，使風機成為一整體，然後在進行退火處理，最後對風機進行動平衡檢查，以達到合格使用。下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明，但不僅僅局限於下面的內容。在馬鋼的罩式爐高溫循環風機葉輪的製作過程中，因為該罩式爐高溫循環風機葉輪為國內首次設計製作，遇到了前所未有的困難，在性能設計方面難以達到用戶的要求，所以在設計製作的同時，經過反覆設想以及驗證，找到了一套行之有效的辦法，該方法包括風機的理論設計，工藝壓模，風機焊接，動平衡等。I.風機葉輪性能設計
由於目前風機行業的設計工作均採用計算和經驗選取雙向結合的辦法，對現有風機葉輪進行模型設計，然後根據試驗，看能否滿足工況要求，若不能滿足，則需要根據現實工況要求對風機葉輪進行修改，然後再試驗，最終達到工況要求為止，通過目前國內一般所使用的罩式爐高溫循環風機葉輪其流量為95000M3/h，壓力為850Pa，溫度為800°C，風機轉速450-2500rad/min的參數特徵；由於目前該種風機在國內並沒相關的模型機進行參考，為了能夠保證風機葉輪在每一個轉速下均可以滿足氣體工況要求，所以在設計時採用以下步驟
(1)根據伯努利方程即01^砂0*八了=87. 1675，其中R (氣體常數)=29. 3 (由於循環氣體成份主要為空氣)；
O (指數係數)=K/(K-I) npol=2. 975 ；
K(絕熱指數)=1. 4 (由於循環氣體主要為空氣)； npol (風機效率)取85%在風機在使用中可以測量計算；
AT (風機運行過程中溫度差)循環風機可以忽略不計，因為爐內氣體溫度過高，很小的溫升可以忽略不計。(2)確定風機葉輪線速度U2 根據HP0L=X*U22來計算。其中X(能量頭係數)=0. 0157 (根據流量為95000M3/h，壓力為850Pa，查閱西安交通大學1978出版離心式壓縮機原理一書)；
從而計算出U2 (風機線速度)=75m/s。(3)確定風機葉輪外徑D2
根據U2= D2n/60來計算。其中Ji為圓周率，n電機轉速選擇450轉速為設計轉速(若最小轉速滿足工況要求，則大的轉速就沒有任何問題)，從而計算出D2=955mm，最終確定風機外徑D2=950mm。(4)根據風機葉輪行業試驗，得出下述經驗公式D1/ D2=0. 55-0. 62，得出Dl (風機進口直徑)=590mm (由於流量較大，所以取係數上限)；
通過上述計算，設計出滿足設備運行條件的風機葉輪。風機有效直徑950mm，葉片數量為15片(經驗選取)，葉片為雙弧線，其中對出口部分葉片我們採用小於90°的後向葉片(後向葉片產生的壓頭大，效率高)，對於進口部分的葉片我們採用90°徑向型葉片，便於氣體更好的進入風機，從而提高風機效率。2.利用三維軟體soildworks建模
由於罩式爐高溫循環風機葉輪一次使用的臺數很多，所以不可能每一次都採用製作大量的風機進行試驗，為了能夠使風機葉輪滿足爐內工況條件，我們採用soildworks建模，對該風機進行1:1建模，通過軟體對風機葉輪運行工況的模化，最大限度模擬風機工作環境，由於目前全球風機的設計工作均採用計算和經驗選取雙向結合的辦法，所以必須要用試驗對方案設計進行校核，使風機通過在三維軟體中模擬運行，從而檢測出上述計算以及經驗選取是否正確，提高了設計的精度，也降低了風機初期設計時的成本。同時根據風機葉輪的受力分析，對材料最合理化的選用提供有力的理論依據。3.零件放樣及壓模
為了保證氣體的在風機內能夠順暢、平穩的運行，應將風機葉輪的前盤以及葉片採用弧形結構，由於風機前盤以及葉片厚度較薄，極易變形，如果採用一般的手工加工則難以控制尺寸及精度，所以根據風機葉輪圖紙中前盤和葉片的弧線，對風機的前盤I、後盤3以及葉片進行放樣，然後通過放樣尺寸對材料進行下料，同時使用模具對相關材料進行壓模，從而製作出風機葉輪的前盤及葉片。採用模具壓模的辦法可以大大提高葉輪的精度，同時也可以提高風機的製作速度以及降低風機的製造成本，對該風機的批量生產提供了堅實的基礎。根據製作的的高溫風機葉輪大小，前盤和葉片的形狀，進行開模。製作的模具包括上模和下模，然後利用液壓機，在液壓機上固定上模和下模，對葉片和前盤進行成型。
4.風機的焊接
由於風機葉輪是一個轉動件設備，所以焊接要求是相當嚴格的，焊接的好壞不僅關係到風機是否能夠安全運轉，而且對風機的效率也是有相當大的影響。為了保證風機焊接效果，可以採用以下步驟
(I)參見圖I和圖2，採用旋轉平臺，先將後盤3與軸盤5首先焊接在一起先將後盤3平放於水平旋轉臺上，軸盤5按照止口的位置放置在後盤3上，為了防止在焊接過程中相對變形較大，應該對焊接部位進行點焊，以確定焊接位置無誤後，採用氬弧焊的方法使後盤3與軸盤5焊接成一整體；並且在焊接時，採用氬弧焊和以間斷焊代替連續焊的方式焊接，現將圓周進行等分，然後採用跳躍的方式焊接每一個等分弧。(2)葉片焊接在後盤上由於葉片一共有15片之多，為了保證風機質量按圓周均勻分布，需要對風機的葉片進行稱重，對重量相近者成對選出，並且對稱地焊接在軸盤上， 同時保證每個葉片之間重量相差不得大於10g，且葉片對後盤的垂直度不大於I. 5，然後把葉片與後盤焊接成一整體。(3)前盤I與葉片的焊接由於前盤與葉片都有弧度，在焊接前需要檢查葉片與前盤是否可以完全接觸重合，防止在焊接的過程中，產生沒有焊透以及夾查氣孔等現象。(4)由於風機是處於轉動工作環境中，一般對焊接的要求是相當高的，不僅對焊接過程需要嚴格的控制，而且在焊接完畢後需要對相關的焊縫進行著色檢查，滲透檢查，無氣孔，裂紋未融合，嚴重咬邊等缺陷。著色完畢後，需要對每條焊縫進行超聲波探傷檢查，必須焊透，並達到JB4730-94《壓力容器無損檢測》一級標準。由於爐內氣體有一定的含塵量，所以為了保證風機的使用壽命，所以在氣體與葉輪進口接觸最嚴重的地方焊接一塊材質與葉片4相同的腹板6，該腹板為葉片的加強板，用於加大該薄弱地方的厚度，以提高風機的使用壽命。同時焊縫必須打磨，風機流道內不允許有飛濺物。(5)風機焊接完畢後需要作退火處理，以消除內應力。參見圖3，退火處理方法如下
1)熱處理前，將葉輪採用工裝固定，防止在熱處理是自由變形；
2)工裝採用不鏽鋼製作，並且需要帶有吊運裝置；
3)轉運過程中嚴禁與碳鋼接觸；
4)熱處理曲線如下 5)工件放入熱處理爐中應該平放整齊，嚴禁與爐壁、加熱絲接觸；
6)嚴格控制熱處理的整個過程；
7)熱處理接觸後，嚴禁拆除工裝。由圖3可知熱處理時，先從常溫經過4. 5小時升溫至930°C，然後在930°C保溫3小時，停止加熱冷卻，冷卻至500°C後開爐冷卻至常溫後出爐，在整個過程中，需要對溫度和時間進行準確的控制，通過熱處理後，消除焊接應力。(6) 風機動平衡處理
由於風機是一種轉動設備，在風機的運行工程中，主要是靠風機的轉動對氣體進行做功，然而在風機的轉動過程中，如果風機動平衡沒有達到一定的標準，輕則會出現風機震動大，噪音大等，重則會出現嚴重的事故，所以為了保證風機的安全運行，我們通過動平衡機對風機進行動平衡處理，使其動平衡精度達到G3. 0，從而保證風機的安全、可靠運行。
本實施例製備的罩式爐高溫循環風機葉輪可以替代原有進口設備循環風機葉輪，該罩式爐高溫循環風機葉輪的結構如圖I和圖2所示，第一步先將後盤3放置在旋轉平臺上，然後將軸盤5放置與後盤3上，採用氬弧焊將件3和件5焊接起來。第二步將進口葉片4、出口葉片2、腹板6焊接起來。第三步將第二步的組合件與與後盤3、軸盤5焊接在一起。第四步將前盤I焊接至葉片上。附表
表I第一臺高溫風機葉輪上爐臺實驗的數據
權利要求
1.一種罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，其特徵是包括以下步驟 第一步根據爐內循環工況的氣體參數，進行氣動性能設計，設計出滿足爐內循環工況條件運行的風機； 第二步通過三維繪圖軟體soildworks建模,對風機性能進行校核，同時根據模型的受力分析，正確採用性價比較高的材料； 第三步通過工藝放樣，對每一個零件的展開圖形進行繪製，通過繪製的圖形，對零件進行下料，然後利用模具壓模，從而製作出風機的每一個零部件； 第四步根據焊接工藝，對風機進行焊接，並且對相關焊縫進行超聲波探傷檢查，以檢查焊縫是否焊透；在風機葉輪氣流進口處受力最大的地方焊接一塊腹板，加大葉片的厚度，以提聞風機的使用壽命； 第五步風機焊接完畢後需要作退火處理，以消除風機內應力； 第六步對已製作完畢的風機進行動平衡校核，使風機葉輪不平衡精度達到設計要求。
2.根據權利要求I所述的罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，根據罩式爐高溫葉輪的使用有關參數，包括流量為95000M3/h，壓力為850Pa，溫度為800 °C，風機轉速450-2500rad/min,然後採用以下方法進行設計，保證風機葉輪在每一個轉速下均滿足工況要求，設計步驟如下 (1)根據伯努利方程HPOL=R* σ * Λ Τ=87. 1675 式中氣體常數R=29. 3，此數值是依據循環氣體成份主要為空氣來確定；指數係數σ =K/(K-I) npol=2. 975，其中K為絕熱指數，K=L 4 ； npol為風機效率，取85%在風機使用中進行測量計算；AT為風機運行過程中溫度差，在循環風機中忽略不計； (2)確定風機葉輪線速度U2 根據HP0L=X*U22公式，按照能量頭係數X=O. 0157，來計算出U2=75m/s ； (3)確定風機葉輪外徑D2 根據U2=JiD2n/60公式，其中π為圓周率，電機轉速η為450轉速，來計算出D2=955mm，最終確定風機外徑D2=950mm ； (4)根據風機葉輪行業試驗，得出下述經驗公式 Dl/ D2=0. 55-0. 62，其中風機進口直徑 Dl=590mm， 通過上述步驟，設計出滿足爐內循環工況條件運行的風機葉輪，風機有效直徑為950mm，葉片數量為15片，葉片為雙弧線，並且對出口部分葉片採用小於90°的後向葉片，對於進口部分的葉片採用90°徑向型葉片。
3.根據權利要求2所述的罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，其特徵是利用三維繪圖軟體soildwroks對該風機進行I: I建模，最大限度模擬風機葉輪的工作環境，使風機通過在三維軟體中模擬運行，檢測上述計算以及經驗選取是否正確，同時根據風機的受力分析，對採用最合理化的製作材料提供依據。
4.根據權利要求I所述的罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，其特徵是在製作過程中，需對風機的前盤、後盤以及葉片進行放樣，然後通過放樣尺寸對材料進行下料，通過模具對放樣的材料實體進行壓模成型。
5.根據權利要求I所述的罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，其特徵是 (I)在焊接時，需對焊接過程進行嚴格的控制；(2)在焊接完畢後，需對焊縫進行著色、滲透檢查，保證無氣孔，無裂紋未融合； (3)檢查未出現嚴重咬邊缺陷； (4)著色完畢後，需要對每條焊縫進行超聲波探傷檢查，必須焊透，並達到JB4730-94《壓力容器無損檢測》一級標準。
6.根據權利要求I所述的罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，其特徵是所述退火處理工藝參數為熱處理時，先從常溫經過4. 5小時升溫至930°C，然後在930°C保溫3小時，停止加熱冷卻，冷卻至500 V後開爐冷卻至常溫後出爐。
7.根據權利要求I所述的罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，其特徵是所述腹板為葉片的加強板，在葉片最薄弱的、受力最大的地方貼上腹板，使得葉片得到加強，增加葉輪的使用壽命。
8.根據權利要求I所述的罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，其特徵是所述風機葉輪不平衡精度為G3. O。
全文摘要
本發明涉及一種罩式爐高溫循環風機葉輪的製造方法，其步驟包括(1)風機葉輪性能設計確定風機葉輪線速度U2，確定風機葉輪外徑D2，利用經驗公式D1/D2=0.55-0.62得出風機進口直徑D1數據；(2)利用三維軟體soildworks建模；(3)零件放樣及壓模；(4)風機的焊接。本發明採用後，可以提高風機葉輪的使用壽命。
文檔編號B23P15/00GK102764964SQ20121027387
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月3日 優先權日2012年8月3日
發明者楊有進, 許文峰 申請人:中冶南方(武漢)威仕工業爐有限公司