風電齒輪滲碳強化的技術途徑及技術經濟分析

　　易普森工業爐(上海)有限公司 范寒晉 劉曄東

　　易普森國際有限公司 Herbert Hans, Ralf Giebmanns

　　1. 引言

　　增速機是風力發電機組的關鍵部件之一，使用壽命要求在20年以上。風電機組通常被安置在多風的野外或海灘上，四季變化，工況復雜，而且由于增速機被置于塔架之上的機房內，塔架高度有七八十米，裝卸十分困難，維修費用奇高。這就要求增速機具有高質量和高可靠性。

　　增速機一般采用行星齒輪設計。每臺增速機有8到10個齒輪，材料一般采用18CrNiMo7-6，有效硬化層深(Cd550)范圍約在1.6-4mm，直徑約在180-1100mm左右，長度(高度)在120-1100mm左右，單件重量從90公斤到1000公斤不等，總重大約在2-4噸。

　　過去由于類似規格的工業齒輪多為小批量、多品種生產模式，對其滲碳強化大多采用井式滲碳爐生產線。隨著對滲碳強化質量要求的不斷提高，也有一些密封箱式多用爐生產線和真空滲碳爐機組被采用。但由于裝爐量、爐膛尺寸的限制，仍無法滿足像以上風電增速機齒輪滲碳強化的要求。

　　眾所周知，在世界范圍內，風力發電已被作為重點發展的可再生能源戰略之一，每年有數以萬計的風電機組投入使用。與此同時，風電增速機的生產也逐漸發展成為集約型、大批量的生產模式。

　　為了滿足風電增速機及類似齒輪滲碳強化的市場需求，已經開發出了與之適應的超大型密封箱式多用爐生產線和真空滲碳爐機組，其裝爐量5噸，甚至能達到10噸，有效爐膛尺寸1500 × 1800 × 1200 mm (寬× 長 × 高)，甚至能達到1500 × 1800 × 1400 mm(寬× 長×高)。完全滿足各種風電齒輪滲碳強化的要求，并已經投入到實際生產使用當中。這就為提高風電齒輪質量提供了技術裝備上的保證。

　　下面就對適合于風電齒輪滲碳強化的井式滲碳爐、箱式滲碳爐、超大型密封箱式多用爐和真空滲碳爐機組幾種解決方案進行介紹，并在技術和經濟上加以比較。

　　2. 風電增速機齒輪滲碳強化的幾種設備解決方案比較

　　2.1 產品對象

　　為了比較起見，以圖1、2MW的行星增速機齒輪為對象。此增速機有8個齒輪，齒輪總重量3.4噸。齒輪的有效硬化層要求分別為Cd550= 3.0、2.5、2.0 毫米。其中最大齒輪直徑1115毫米，最長齒輪軸長1248毫米。生產線年規劃產能1500套。每年工作47周，每周工作7天，每天24小時，3班制，產量32臺增速機。詳細情況見表1。氣體滲碳溫度950℃(包括井式爐、箱式爐和密封箱式爐)，真空滲碳溫度1050℃。氣體滲碳工藝采用直接淬火工藝，真空滲碳采用爐內高壓氮氣強制冷卻后，在密封箱式爐中保護氣氛淬火。

　　2.2 參比爐型及生產線構成

　　參與比較的井式滲碳爐以滲碳強化工業齒輪常用的爐型為準，見圖2;箱式爐、密封箱式爐、低壓滲碳爐以針對滲碳強化工業齒輪新開發的爐型為準，見圖3、圖4，。各種爐型的不同齒輪的裝爐方式見圖5、圖6。

　　根據能力計算，完成上述生產任務對各種爐型生產線解決方案設備的配置見表2。各種爐型生產線設備平面布置見圖7、圖8、圖9、圖10。

　　圖1 圖2

　　表1、樣本2MW行星增速機齒輪明細和周產量

　　名稱重量/件(公斤)尺寸(毫米)件/臺臺/周件/周公斤/周層深(毫米)

　　一級行星輪400D610x3703329638,4003.0

　　一級齒輪軸505D345x12481323216,1603.0

　　二級齒輪945D1115x2421323230,2402.5

　　二級齒輪軸310D330x780132329,9202.5

　　三級齒輪308D845x120132329,8562.0

　　輸出軸122D215x920132323,9042.0

　　圖3 圖4

　　圖5 圖6

　　表2、各種爐型生產線解決方案設備配置

　　生產線配置井式爐箱式爐密封淬火箱式爐真空爐備注

　　前清洗機-1111. 密封箱式淬火爐淬火;

　　預熱爐-111

　　滲碳爐6663

　　淬火槽11-(備注1)

　　后清洗機1111

　　回火爐2222

　　裝卸料車-122+1

　　備料臺-141414

　　自動控制系統-有有有

　　其他天車、噴丸機噴丸--

　　圖7 圖8

　　圖9 圖10

　　表3是2.5毫米滲碳層深齒輪在各種爐型滲碳處理的滲碳溫度、滲碳工藝時間、凈裝爐量、毛裝爐量和工裝的重量。

　　表3

　　井式爐箱式爐密封箱式爐真空爐

　　滲碳溫度950℃950℃950℃1050℃

　　滲碳工藝時間35.16 h30.85 h30.185 h18.44 h

　　凈裝爐量4339 kg4018 kg4018 kg4018 kg

　　毛裝爐量6668 kg4811 kg4811 kg4811 kg

　　工裝重量2329 kg793 kg793 kg793 kg

　　2.3 各種爐型的技術性比較

　　比較時均以井式滲碳爐為對象。圖11是對幾種爐型在技術上的一些比較。

　　圖11　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖12

　　2.3.1 熱處理質量

　　由于密封箱式爐和真空爐在市在保護氣氛下淬火，淬火時工件不接觸空氣，因而不會形成氧化皮和像井式滲碳爐和箱式滲碳爐那樣明顯的氧化脫碳現象。特別是真空滲碳，由于采用無氧碳氫化合物滲劑，完全擺脫了普通氣體滲碳內氧化的困擾。

　　2.3.2 滲碳周期

　　滲碳速度隨溫度提高而加快。真空滲碳爐特殊的設計可以在高溫下使用，滲碳周期大大縮短。真空低壓滲碳周期隨時間變化曲線見圖12。。

　　2.3.3 工裝

　　由于井式爐需用天車吊運的特性，其工裝厚大笨重，制作成本高、耗能、壽命短，維修成本高。而水平式爐(箱式滲碳爐、密封箱式淬火爐、真空滲碳爐)由于用專門的裝卸料車搬運裝卸工件，工裝重量大大減輕，制作成本低，加熱時間短，耗能小，工藝用氣少，降溫時間快，大大縮短了滲碳工藝時間。但就工裝而言，以完成本生產大綱為準，井式爐比其它爐型多處理了約1730噸工裝。

　　2.3.3 安全性

　　就安全而言，井式滲碳爐生產線有許多危險的因素。開式油槽安全性差，油槽失火是所有熱處理車間的滅頂之災。

　　裝料吊入油槽淬火的過程中，會產生幾米高的火焰，要求倍加警惕，并準備完善的防火措施。同時巨大的油煙對環境污染嚴重，要求配備非常昂貴的排演和慮煙裝置。見圖13。

　　為了減少危險，需要不斷的檢查、評估調運系統的安全性。

　　圖13 圖14

　　2.3.4 自動化

　　就當前的技術水平而言，水平裝卸料的熱處理生產線(包括箱式爐、密封箱式爐和真空爐)以可以實現無人全自動化生產。生產工藝穩定可靠，作業計劃優化，文檔管理完善。而對于井式滲碳爐還無法達到如此的自動化水平。

　　2.4 參比爐型的經濟性比較

　　2.4.1 比較基礎

　　由于中國還沒有這樣的爐型普遍使用，無法進行比較。現以在德國的情況加以比較。雖然與中國相比會有一些出入，但仍不失有一定的參考借鑒意義。

　　以投資后任意財年的純現價法(net present value methid)進行比較。平均資本費用按12%記。

　　考慮到投資后的生產成本會發生變化，采用了兩種不同的市場條件：

　　條件1.

　　· 在每桶油價格為52美元時天然氣的價格為0.25歐元/立方米。

　　· 市場熱處理價格為1.10歐元/公斤。

　　條件2.

　　· 在每桶油價格為150美元時天然氣的價格為0.25歐元/立方米。

　　· 市場熱處理價格為0.95歐元/公斤。

　　2.4.2 投資成本

　　要確定投資成本不僅僅要考慮純設備的投資，還要考慮設備今后的運行成本。要用純現價法計算投資成本需要同時考慮如下的成本支出：

　　· 設備采購成本(包括設備本身和調試費用)

　　· 包裝、運輸和保險

　　· 淬火油

　　· 工裝卡具

　　· 配套建設(設備基礎、工藝用氣和冷卻水等)

　　2.4.3 生產成本

　　與任何類型的公司運營一樣，熱處理公司的生產成本也包括固定費用和變動費用。

　　變動費用包括：

　　· 天然氣

　　1.在每桶油價格為52美元時天然氣的價格為0.25歐元/立方米。

　　2.在每桶油價格為150美元時天然氣的價格為0.25歐元/立方米。

　　· 電費0.08歐元/千瓦時

　　· 淬火油2.00歐元/公斤

　　· 工裝

　　· 工藝氣體

　　固定費用包括：

　　· 人員工資

　　· 服務和維修

　　· 廠房折舊(租賃)及相關費用

　　· 管理費用

　　2.4.4 投資經濟性分析/回報曲線

　　經濟分析僅從熱處理角度出發，沒有考慮由于熱處理質量提高而給后續生產帶來的成本節約。例如，由于密封箱式淬火爐，工件淬火轉移時不接觸任何空氣，沒有氧化皮產生，無需后續的如噴丸等清理工序，也不會由于氧化皮脫落到齒輪箱冷卻油中導致齒輪箱的失效。這也是巨大的潛在成本的節約，但在分析時都不涉及。

　　在條件1(天然氣價格0.25歐元/立方米，熱處理價格1.10歐元/公斤)情況下，不同爐型的投資回報時間見圖14和表3。

　　表3： 條件1(天然氣價格0.25歐元/立方米，熱處理價格1.10歐元/公斤)不同爐型的投資回報時間

　　井式爐箱式爐密封箱式爐真空爐

　　投資額(歐元)3,831,5503,402,2004,593,1003,958,400

　　三年后純現價值(NPV)(歐元)2,439,1584,420,5213,015,4852,652,971

　　回報時間(月)約21142020

　　在表3和圖14中可以看出，箱式爐初始投資是3,402,200歐元，大約在14個月后就收回了投資，3年以后盈利4,420,621歐元。

　　密封箱式淬火爐、真空爐和井式爐在初期投資時均高于箱式爐，使投資回收時間分別為20個月、20個月和21個月。

　　在條件2(天然氣價格0.50歐元/立方米，熱處理價格0.95歐元/公斤)情況下，不同爐型的投資回報時間見圖15和表4。

　　表4： 條件2(天然氣價格0.50歐元/立方米，熱處理價格0.95歐元/公斤)不同爐型的投資回報時間

　　井式爐箱式爐密封箱式爐真空爐

　　投資額(歐元)3,831,5503,402,2004,593,1003,958,400

　　三年后純現價值(NPV)(歐元)620,0652,526,091981,597965,732

　　回報時間(月)約31192928

　　在表4和圖15中可以看到，能源價格和熱處理市場價對設備的投資回報影響很大。

　　在條件2的情況下，箱式爐、密封箱式爐、真空爐和井式爐在3年內均得到了回報，時間分別為19個月、29個月、28個月和31個月。

　　在條件2時，密封箱式爐在初期投資時，其比井式爐投資高出了761,550歐元，但其比井式爐的回報時間卻早，而且在34個月的時候起投資回報也趕上了真空爐。

　　圖15

　　3. 結論

　　3.1 由于技術和市場的發展，風電增速機齒輪及類似齒輪已形成集約式、規模式生產，對于滲碳強化設備除可以選擇井式爐外，也可以選擇箱式爐、密封箱式爐和真空爐。

　　3.2 從技術角度講，密封箱式淬火爐和真空低壓滲碳爐由于在淬火轉移過程中工件不接觸空氣，工件表面無表面氧化脫碳現象。特別是真空滲碳爐根本擺脫了內氧化的困擾，同時滲碳周期短，變形小。

　　3.3 密封箱式淬火爐、真空爐和箱式爐齒輪強化生產線均采用密閉式油槽，淬火時無油煙和著火現象，環保安全性好。

　　3.4 水平式裝料的密封箱式淬火爐、真空爐和箱式爐齒輪強化生產線由于不用天車吊運爐料，工裝重量輕，壽命長，制造維護成本低，無功耗能低，可實現全自動化操作。

　　3.5 從投資經濟性上講，箱式爐齒輪強化生產線初始投資低，投資回報期短。

　　3.6 原材料價格和熱處理市場價格的變動會明顯影響投資回報。

　　3.7 如綜合考慮技術和經濟兩方面，對于風電齒輪類似滲碳強化的滲碳設備，密封箱式淬火爐和真空爐滲碳強化生產線比較好，密封箱式淬火爐生產線在一定時間后回報性更好。

　　3.8 井式爐滲碳強化生產線雖然對于風電齒輪滲碳強化上在技術和經濟上均沒有大的優勢，但對于大直徑齒輪和長軸齒輪滲碳方面有不可替代的優勢。