宋儒将

（1.大冶有色金属集团控股有限公司；2.湖北省有色金属资源开发与综合利用工程技术研究中心，湖北 黄石 435005）

1 概况

大冶有色金属公司2009年启动铜冶炼节能减排改造工程，是国家“十一五”节能减排项目和湖北省重点节能减排项目,2010年底建成投产，粗铜生产能力达到每年30 万吨。该工程采用澳斯麦特炉熔炼工艺，配套3 台350S-75 型供水泵，其主要设计参数为：Q=1260m3/h，H=75m，η=85%，n=1450r/min，工艺配置见图1。系统采用两级提升的供水方式，设有热水提升泵。当供水泵水量过大，超出热水提升泵水量时，系统将由热水池向外溢流。投产运行半年后，1#供水泵发生主轴断裂事故。

图1 澳炉供水原理图

2 原因分析

2.1 断口分析

供水泵结构如图2，为单级双吸离心泵。断裂点位于水泵端联轴器处，断口处如图3，断口呈现出横向整体断裂，而断裂发生在动力输入端的关键受载部位，所以按轴的的失效判据应判为断裂失效。由轴断口一侧的宏观照片可知，断口为疲劳断裂，其宏观特征为为断口上有明显的塑变，其微观特征为由大量正交韧窝组成，未见明显脆性断裂特征，进一步进行材质分析后排除材质缺陷造成断裂。

图2 水泵结构图

图3 主轴断裂截面图

2.2 主轴强度校核

已知电动机功率400kW，电动机转速1480r/min，可算得电动机输出转矩T=9550×P/n=2581.08N.m；断裂处轴径65mm,轴的材质为45 钢，经调质处理，查表得扭转疲劳极限为155MPa，由轴的强度计算公式校核后排除主轴设计缺陷造成断裂原因。

式中，d 为轴的直径，mm；[τT]为扭转疲劳极限，MPa。

2.3 水泵设计参数与水系统匹配性分析

该泵叶轮出口直径为φ503mm，投运后运行电流偏大造成泵组跳车，为满足运行要求，采用关小水泵排出侧阀门开度的方式，调整供水量接近设计值，运行参数见表1。

表1 澳炉供水泵运行纪录

由表1 数据可知，排出侧阀门全开时泵的工作点远离额定点，即QS远大于1.2QSP。临时只能通过关小排出侧闸门开度(关至25%～30%)来降低运行电流，但此时大量的能量消耗在克服被关小的阀门的阻力上，极不经济，且容易发生汽蚀。

由水泵设计参数可知，在达到1260m3/h 额定工况状态下运行时，泵的轴功率应为：

N1=Q×H×9.81×r/(3600×η)=302.95kW

式中，Q 为额定流量，1260m3/h；H 为扬程，75m；r 为介质比重，这里是清水，取1.0(103kg/m3)；η 为效率，85%。

该水泵按标准性能表应选配电动机功率为355kW，但现场实际配套电动机额定功率为400kW，额定电压10kV，额定转速1483r/min。经计算，

N2=(√3×COSφ×U×I)/1000=1.732×0.9×10000×23/1000=358.48kW（按电度表显示与此值比较接近，约360Kw·h），此时的实际轴功率远大于设计轴功率，此为主轴发生断裂的主要原因。

COSφ 为功率因数，取0.9；U 为电压，10000V；I 为电流，A。

将电机实际输出功率值及实际流量、扬程值代入公式1，可知水泵目前实际运行效率仅约为69%，远未达到设计效率，由此判定水泵设计参数与循环水系统匹配不当，实际运行工况远偏离于设计工况，存在较大能耗浪费。

3 改造方案

采用切割叶轮但方法来实现修正水泵性能参数，从而匹配循环水系统。车削叶轮的方法使泵在D1及D2min对应的H-Q 线所围成的带形区中任意点工作，但考虑到运转时的经济性，泵工作时的效率降低应不超过该泵最高效率的7%，因此泵在上述带形区域内，只有被两根η（差）=0.93ηmax的等效曲线所围成的扇形面积ABCD 中即切割高效区工作才好（见图4）。

图4 离心泵的切割高效区

结合泵厂所提供的S 型泵特性曲线型谱图（见图5）初步整定D2 为480mm。应该注意的是为防止理论计算性能与期望值有偏差，进行切割计算时最好用二分法切割计算，参照水泵的效率等特性离工况点相差不远时，进行多次切割试验找出合适的外径尺寸。

图5 350S-75 型泵型谱图

4 改造效益分析

澳斯麦特炉供水泵改造后于2012年4月投入运行，再未出现主轴断裂情况，运行情况正常，电机运行电流为21～22A 左右。改造泵在满足生产的前提下，由于可全开排除侧阀门运行，减少了局部阻力损失提高了运行效率，电动机电流下降，即耗电量降低，按满足生产需要的前提下澳炉供水泵效率能提高10%的保守估计，则全年可节电567832kW·h，按电价1.32 元/kW·h 计算全年可节约电费70 余万元。

另外，改造后泵轴的输出功率降低，承受的扭矩减小，有利于提高泵轴及电机的使用寿命，提高了澳炉供水系统运行的可靠性。

5 结语

国内冶化系统新投产改造工程由于工期紧，给排水专业设计人员与与工艺专业沟通不够密切，室外管线未做详细配置，加上设计人员选定各级计算公式中的系数、常数时出于保守的心理，在设备选型阶段将设备的裕量往往选的过大，若我们工程技术人员在后期的生产实践中通过不断摸索对此类设备设法降低能耗，定能取得一定的经济效益。