一种高抗震性能鼓风机叶片的制作方法

1.本发明涉及高炉供风技术领域，具体涉及一种高抗震性能鼓风机叶片。


背景技术：

2.钢铁企业是一个高耗能性企业，其能源消耗量占全国能源总能耗的15％，而高炉炼铁工序能耗占钢铁工序能耗的50％左右。高炉鼓风机是炼铁工序中最核心的关键设备之一，其所产生的高压空气通过风口进入高炉炉膛内一方面确保了高炉提供冶炼所需要的氧气，另一方面有效克服送风阻力和料柱阻力，并维持了高炉炉顶压力。在高炉内，冷风通过热风炉被加热到1000℃度以上形成热风，使铁矿石、焦炭、石灰石三种原料进行充分的还原反应，生成铁水并产生炉渣，利用炉渣比重轻于铁水，分别出铁水和炉渣。如果鼓风机出现故障而停止送风时，将导致冷风压力急剧下降，未分离的铁水和炉渣的混合物将下沉灌入风口并凝结，即为风口灌渣。尤其在高炉即将出铁前(或出铁后40分钟后)，风机突然停风往往导致高炉风口、直吹管、弯头大灌渣等重大生产事故。一旦风口灌渣，处理一次灌渣事故约10多个小时，加上高炉恢复正常的时间，以及恢复风口的费用，将使企业产生重大损失。因此高炉供风系统的供风是否正常将直接影响高炉的正常生产，因此鼓风机叶片运行过程中抗多级共振性能显得尤为重要。
3.目前国内大型高炉多采用大容量同步电动轴流式鼓风机，运行过程中叶片主要承受气动力和离心力作用。离心力是叶轮旋转产生的一个径向力，当转速不变时，离心力也不变，是静应力；气动力是气流流经叶片，在压力面与吸力面产生的压差，随负荷大小而改变，是动应力。气动力使叶片产生弯曲和扭转应力，其中最大弯曲应力位于叶背的中心轴线处或叶片的进气边和排气边，叶片的自重会使其在运行过程中因离心力的作用而产生径向应力，同时由于气流参数的脉动及转子动平衡的精度等原因，叶片除上述所受应力外，还将叠加一个由于振动产生的交变应力。按叶片强度设计要求，气动力及离心力在叶片根部产生的最大拉伸应力应显著低于材料的疲劳极限，同时由于气流参数的脉动及转子动平衡的精度等原因，叶片除上述所受应力外，还将叠加一个由于共振产生的交变应力。但是，目前风机叶片所用的x20cr13材质叶片的疲劳极限对其表面缺陷较为敏感，一旦形成表面缺口，便以其为疲劳源，在多倍频的激励发生一阶切向弯曲共振产生较强的交变应力作用下在叶片材料缺陷处萌生疲劳源，并向内部发展，最终导致叶片断裂。因材急需研究开发一种新型材料的轴流式鼓风机叶片，具有较高的抗屈服强度和较高抗拉伸性能，确保鼓风机运行中能够叶片长时间承受静应力、动应力和多阶共振产生的复合应力，保证鼓风机安全、稳定运行的同时确保高炉高效、稳定生产。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种高抗震性能鼓风机叶片，解决现有x20cr13钢轴流式鼓风机叶片，屈服强度低、抗拉强度低、弹性变量较大，容易在多倍频的激励发生共振产生较强的交变应力作用下在叶片材料缺陷处萌生疲劳源，导致叶片断
裂，不能满足高炉高效、稳定生产的问题。
5.为实现上述目的，本发明所设计的高抗震性能鼓风机叶片，风机叶片材料为1cr11ni2w2mov，质量分数包括：c：0.10～0.16wt％，cr：10.5～12wt％，p≤0.35wt％，s≤0.03wt％，si≤0.62wt％，mn≤0.6wt％，ni：1.4～1.8wt％，v：0.18～0.30wt％，mo：0.35～0.50wt％，w：1.5～2.0wt％，余量为fe。
6.优选地，风机叶片材料中，ni的质量分数为1.6～1.8wt％。
7.优选地，风机叶片材料中，w的质量分数为1.8～2.0wt％。
8.优选地，风机叶片材料中，mo的质量分数为0.45～0.50wt％。
9.本发明原理如下：
10.x20cr13材料叶片韧性和耐腐蚀性较弱，运行过程中叶片容易被空气中水蒸气氧化、腐蚀，而1cr11ni2w2mov叶片在淡水和湿空气中具有良好耐腐蚀性和抗氧化性能。
11.钨有较好的耐磨性和较高的硬度，有助提高叶片的抗屈服性能，和耐冲蚀性能，因此新型叶片中增加1.5～2.0wt％钨质量，提高叶片的强度和抗气流冲蚀性能。
12.钼有较低的热膨胀系数，可以有效避免风机叶片运行过程因温度升高而导致其强度、抗屈服性能下降断裂，因此新型叶片中增加0.35～0.5wt％有助于提高叶片运行过程中性能变化较小。
13.镍具有较好的抗腐蚀性和较高的硬度，有助提高叶片的抗屈服性能，同时在常温下镍能够在潮湿的空气中形成致密的氧化膜，有效阻止叶片腐蚀，因此新型叶片中镍质量由0.30～0.80wt％提升至1.4～1.8wt％。
14.钒具有较高的硬度，同时耐气、耐水、耐盐腐蚀性能高于大多数不锈钢，因此叶片材料增加少量钒可以有效提高叶片强度和耐腐蚀性能。
15.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
16.1、叶片的屈服强度由590mpa提升至735mpa，有效防止了叶片疲劳断裂，延长了叶片寿命；
17.2、叶片的抗拉强度由735mpa提升至885mpa，提高了叶片抗疲劳应力性能，有效防止了叶片因应力集中断裂。
18.3、在风机工作范围内其弹性模量降低了15％，叶片频率只有元材料的92.7％，共振安全裕度提升至9.1％，即使在危险的一阶切向弯曲共振处共振被激发的概率也被降低了，可以有效避免共振引起的一片断裂。
19.4、叶片在淡水和湿空气中具有良好耐腐蚀性和抗氧化性能。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
21.实施例一：
22.一种高抗震性能鼓风机叶片，风机叶片材料为1cr11ni2w2mov，质量分数包括：c：0.10wt％，cr：10.5wt％，p：0.15wt％，s：0.01wt％，si：0.40wt％，mn：0.3wt％，ni：1.4wt％，v：0.18wt％，mo：0.35wt％，w：1.5wt％，余量为fe。
23.实施例二：
24.一种高抗震性能鼓风机叶片，风机叶片材料为1cr11ni2w2mov，质量分数包括：c：
0.14wt％，cr：11.2wt％，p：0.35wt％，s：0.03wt％，si：0.62wt％，mn：0.6wt％，ni：1.6wt％，v：0.25wt％，mo：0.45wt％，w：1.8wt％，余量为fe。
25.实施例三：
26.一种高抗震性能鼓风机叶片，风机叶片材料为1cr11ni2w2mov，质量分数包括：c：0.16wt％，cr：12wt％，p：0.25wt％，s：0.02wt％，si：0.55wt％，mn：0.45wt％，ni：1.8wt％，v：0.30wt％，mo：0.50wt％，w：2.0wt％，余量为fe。
27.对比例：
28.风机叶片材料为x20cr13，质量分数包括：c：0.19wt％，cr：13wt％，p：0.030wt％，s：0.02wt％，si：0.42wt％，mn：0.70wt％，ni：0.50wt％，余量为fe。
29.安装上述参数，分别制作1cr11ni2w2mov材料叶片的三个实施例和x20cr13材料叶片的一个对比例，应用性能对比如表1和表2：
30.表1：两种材质叶片静态性能对比
[0031][0032]
表2：两种材质叶片使用寿命
[0033][0034]
相较于x20cr13材料叶片，1cr11ni2w2mov叶片具有更好的韧性，长时间运行中，不易发生疲劳断裂。
[0035]
另外，叶片运行过程中所受力是有个复杂的、多方向的耦合体，不仅会有轴向、横向作用力，同时还会伴有不同频率方向的共振产生的作用力，叶片材料由x20cr13优化为1cr11ni2w2mov后，叶片在所受外力发生弹性形变时，横向形变与纵向形变比值(泊松比)由0.33降至0.3，有效避免了叶片运行中受其它外力因素影响而发生断裂。
[0036]
同时，叶片的屈服强度由590mpa提升至735mpa，有效防止了叶片疲劳断裂，延长了叶片寿命；叶片的抗拉强度由735mpa提升至885mpa，提高了叶片抗疲劳应力性能，有效防止了叶片因应力集中断裂；在风机工作范围内其弹性模量降低了15％，叶片频率只有元材料的92.7％，共振安全裕度提升至9.1％，即使在危险的一阶切向弯曲共振处共振被激发的概
率也被降低了，可以有效避免共振引起的一片断裂。
[0037]
另外，本实施例中的1cr11ni2w2mov材料叶片，在风机的工作温度范围内其弹性模量约为x20cr13材料的85.9％，因此采用此材料的叶片频率约为原材料的92.7％(根据测试结果，共振安全裕度提升到9.1％)，即使叶片在运行中受到8倍频的激振，在工作转速附近，危险的一阶切向弯曲共振被激发的概率降低，同时屈服强度较原材料更高，还能提高叶片的静强度安全系数。
[0038]
本发明高抗震性能鼓风机叶片，解决了现有x20cr13钢轴流式鼓风机叶片容易在多倍频的激励发生一阶切向弯曲共振，产生较强的交变应力及在其作用下在叶片材料缺陷处萌生疲劳源，导致叶片易断裂损毁等系列实际问题。且经济效益明显，一套进口风机叶片采购周期一年以上，整套15级叶片价格2000万元，优化为本发明中的1cr11ni2w2mov材质叶片后，采购周期缩短至半年，价格每套减至600万元一台机组可以降低成本1400万元左右。