熔炼炉冲渣水泵产生汽蚀的原因分析及应对措施

张宝宁

(中条山有色金属集团有限公司，山西 运城 043700)

熔炼炉冲渣水泵产生汽蚀的原因分析及应对措施

张宝宁

(中条山有色金属集团有限公司，山西 运城 043700)

阐述了熔炼炉冲渣水泵汽蚀现象产生的机理，分析了由于介质温度的升高对汽蚀现象的影响，根据汽蚀现象的原因，详细分析了冲渣水泵运行效率的影响因素，提出修正水泵安装高度的计算方法，同时提供了一些行之有效的措施。

冲渣水泵；汽蚀；安装高度；允许吸上高度

0 前言

某铜冶炼厂有4台6sh-9离心水泵，其作用是提供熔炼炉弃渣水淬用水，系统水循环使用，定时补充。熔炼炉流出的弃渣温度为1000 ℃左右，需要较高压力(0.3～0.5 MPa)和较大流量(100～140 m3/h)水流使其水淬粉化，作为建筑材料使用。该厂原设计产能为3万t/a，后经过技术改造，产能提高为6万t/a。冲渣系统原设计无专用冷却塔，由一系列沉淀水池通过表面散热降低循环水温度。随着产能的提高，熔炼炉渣产量提高了近一倍，冲渣池夏季最高水温由原来的40 ℃提高为75℃，而冲渣水泵安装高度依据清水泵20 ℃条件安装，不适用现有水温条件，极易产生汽蚀。水泵发生汽蚀时效率很低，过流部件遭到腐蚀破坏，寿命大大缩短，维修成本增加，给生产造成很大压力。因此，对冲渣水泵汽蚀原因进行分析并制定行之有效的对策，具有十分重要的现实和经济意义。

1 离心水泵汽蚀现象产生原因

1.1 现状

1.泵体 2.泵盖 3.叶轮 4.泵轴 5.双吸密封环 6.键 7.填料密封部件 8.轴承体 9.轴承 10.联轴器图1 冲渣水泵(6sh-9)结构图

该冶炼厂冲渣水泵(6sh-9)结构如图1，水泵电动机功率37 kW，流量160 m3/h，扬程50 m，水泵允许吸上高度4.0 m。水泵安装高度叶轮中心线高出循环水池液面1 m。该冶炼厂冲渣水泵两用两备，熔炼工艺要求24小时连续运转。

运行中由于介质温度的升高，水泵产生汽蚀造成出口压力由0.5 MPa降至0.2 MPa，冲渣水流压力不足，不能满足生产要求。夏季高温季节甚至造成断流状态，为保证熔炼炉连续运行不得不使用生产新水冲渣，造成水资源严重浪费。水泵叶轮寿命只有60 d左右，大大低于同类水泵叶轮寿命，检修成本增加，给生产和管理带来很大困难。冶炼厂弃渣水淬后进入渣池，由桥式抓斗周期性捞出，由于捞渣带出的水量损失和蒸发损失，冲渣水池水量会周期性减少，由于人为原因不能得到及时补充，水泵不能稳定运行。

1.2 汽蚀产生原因分析

离心水泵在运行过程中，由于某些原因使泵内局部部位的压力降到水在相应温度下的饱和蒸汽压(汽化压力)时，水就开始汽化，生成大量的气泡，或者由于水泵密封部件发生泄漏，有空气从填料压盖处吸入，在水流中形成气泡，汽泡随水流向前运动，运动到压力较高部位时，迅速凝结、溃灭。泵内水流中汽泡的生成、溃灭时产生噪声、振动并对过流部件造成侵蚀。这种现象称为水泵的汽蚀现象。

水泵在产生汽蚀的过程中，由于水流中含有汽泡破坏了水流的正常流动规律，改变了流道内到过流面积和流动方向，因而叶轮与水流之间能量交换的稳定性遭到破坏，从而引起离心泵的流量、扬程和效率的迅速下降，出水量减少，水压降低，甚至达到断流状态。汽泡溃灭时，水流因惯性高速冲向汽泡中心，产生强烈的水锤，其压强可达几百MPa，冲击的频率达2～3万次/s，这样大的压强频率作用于过流部件上，引起金属表面局部塑性变形与硬化变脆，产生疲劳现象，金属表面开始呈峰窝状，随之应力更加集中，水泵叶轮出现裂缝和剥落。水泵叶轮寿命大大降低[1]。

从汽蚀发生的机理中可以看出，水泵产生汽蚀的影响因素有以下几个方面：

(1)水泵输送介质的理化因素影响，水的饱和蒸汽压随温度升高而升高(见表1，mH2O水柱高度值，表示压力，下同。1 MPa≈100 mH2O)，当水的饱和蒸汽压升高到接近叶轮转动形成的负压值时，就会发生汽蚀。

表1 水在不同温度下的饱和蒸汽压

(2)一方面水泵安装位置相对液面来说过高，在水泵入口处，水不能自行进入水泵，需要叶轮产生较大的负压吸入；另一方面水泵入口管路局部阻力过大，包括管路过长、弯头、阀门造成的压力损失。这些原因都增加了汽蚀的可能性。

(3)水泵本身结构原因，过流部件如叶轮、双吸密封环等(见图1)表面粗糙，流道变化不平缓，介质流动过程阻力过大。

(4)水泵在运行过程中，密封状况发生破坏，有空气从填料密封部件处(见图1)吸入，产生汽蚀。

(5)水泵运行过程中流量、转速不稳定，流量越大发生汽蚀的可能性越大。

2 解决汽蚀的方法

为防止冲渣水泵发生汽蚀现象，关键是减少水泵内水发生汽化的可能性，最直接的方法就是降低循环水温度和正确确定水泵安装高度。但是在现有条件下，冶炼厂对水冷却系统和冲渣系统进行彻底改造，投资较大并且受到场地限制，只能通过改变水泵安装高度来解决。

2.1 冲渣水泵安装高度计算

每台水泵都有其允许吸上高度(即允许液面低于水泵叶轮中心线高度m)，通常由水泵生产厂家实验测定。实验在大气压为10 mH2O下，以20 ℃清水为介质进行，通常实验数据列在水泵性能表或水泵铭牌上。当水泵安装条件和介质条件发生变化时，水泵安装高度就需要修正，依据伯努利方程对水泵允许吸上高度的推导，水泵安装高度修正公式为：

Hg=Hs+(Ha-10)-(Ht-0.24)

(1)

式中Hg—现场条件下水泵允许吸上高度，m；Hs—实验条件下水泵允许吸上高度，m；Ha—现场条件下大气压强，mH2O； 10—实验条件下大气压强，mH2O；Ht—现场水泵介质温度条件下水的饱和蒸汽压，mH2O；

0.24—实验条件下水的饱和蒸汽压，mH2O。

Hs查水泵说明书为4.0 m，Ha取值可查表2，该地区海拔为700 m，Ha=9.5 mH2O，Ht取值可查表1，介质温度按实际测得最高温度75 ℃条件下，Ht=3.93 mH2O。

表2 不同海拔下的大气压强

将以上数据代入公式(1)得：

Hg=Hs+(Ha-10)-(Ht-0.24)=
4+(9.5-10)-(3.93-0.24)=-0.19m

根据以上计算，冲渣水泵在现场条件下允许吸上高度为-0.19 m，即泵的安装高度必须低于水面以下0.19 m才能克服汽化压力，防止发生汽蚀。而现场水泵安装高度为水面以上1 m，也就是说，在水泵叶轮进口处，水压小于冲渣水温75 ℃时产生的汽化压力，这就是水泵发生汽蚀的主要原因[2]。

2.2 解决冲渣水泵汽蚀的应对措施

2.2.1 改变水泵安装高度

如果对该冶炼厂冲渣水泵安装基础进行改造，施工时间较长，影响整体系统运行。决定增高冲渣水池池壁高度，提高水池液面1.2 m，施工在不停产的情况下就可进行。冲渣水池池壁高度增加1.2 m，相对来说，就降低了冲渣水泵安装高度1.2 m。

2.2.2 减小水泵入口阻力

改变水泵入口管道结构，由原来的跨过泵房墙壁取水，改为穿过墙壁直接取水，取消了弯管，底阀，加大了入口管道直径，由原来的Φ150 mm变为Φ200 mm，在水泵入口法兰处再变径为Φ150 mm后与水泵连接。

2.2.3 提高过流部件光滑度

安装前对冲渣水泵叶轮流道、双吸密封环入口等过流部件进行打磨，清理，减少叶轮、双吸密封环铸造时留下的毛刺，沙粒粘接，提高流道的光滑度。

2.2.4 保证水泵稳定运行

(1)生产过程中周期性捞渣和水汽蒸发引起的冲渣水池水面高度变化，使得水泵供水流量发生改变。为保证水位稳定，增加一套由液位控制和电动阀门组成的自动供水装置，有效的保证了水位。

(2)在保证生产的前提下，适当地减小水泵出口阀门开度，降低汽蚀发生的可能性。

(3)正确安装水泵，确保水泵密封部件装配精确，完好密封；完善水泵运行管理制度，加强点检巡检，及时检查更换填料，保证有效密封。

3 结束语

采取以上措施后，该冶炼厂冲渣水泵汽蚀现象得到缓解，水泵叶轮寿命延长至150 d以上，出口压力能够稳定在0.45 MPa，有效的保证了生产。水温的升高对于冶金行业水淬渣供水泵运行的影响，本文进行详细的分析，并提出一些针对性的预防措施，具有一定的推广意义。

在实际生产中应该根据现场情况选择合适的措施去预防汽蚀现象的发生，提高水泵运行效率，达到节约能源降低消耗的目的。

[1] 刘竹溪.水泵及水泵站(第二版)[M].北京:水利电力出版社，1986.

[2] 中国市政工程东北设计研究院.给水排水设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

Reason Analysis and Countermeasures of Cavitation on Slag-flushing Pump for Smelting Furnace

ZHANG Bao-ning

(Zhongtiaoshan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. Yun Cheng 043700, China)

The paper expounds mechanism of vapor loses on slag-flushing pump in smelting furnace, analyses the effect of cavitation phenomena caused by the medium temperature rising, and influencing factors of operation efficiency of slag-flushing pump according to reason of cavitation phenomena, proposes calculation methods in modifying installation height of water pump, and provides some effective measures.

slag-flushing pump；cavitation；installation height；allowable suction height

2014-02-26

张宝宁(1973-)，山西洪洞人，机械工程师，大学本科，主要从事有色设备技术管理工作。

TH38

B

1003-8884(2014)03-0048-03