風(fēng)電齒輪滲碳強(qiáng)化的技術(shù)途徑及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
易普森工業(yè)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(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，使用壽命要求在20年以上。風(fēng)電機(jī)組通常被安置在多風(fēng)的野外或海灘上，四季變化，工況復(fù)雜，而且由于增速機(jī)被置于塔架之上的機(jī)房內(nèi)，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(jī)具有高質(zhì)量和高可靠性。
增速機(jī)一般采用行星齒輪設(shè)計。每臺增速機(jī)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(guī)格的工業(yè)齒輪多為小批量、多品種生產(chǎn)模式，對其滲碳強(qiáng)化大多采用井式滲碳爐生產(chǎn)線。隨著對滲碳強(qiáng)化質(zhì)量要求的不斷提高，也有一些密封箱式多用爐生產(chǎn)線和真空滲碳爐機(jī)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(fēng)電增速機(jī)齒輪滲碳強(qiáng)化的要求。
眾所周知，在世界范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電已被作為重點發(fā)展的可再生能源戰(zhàn)略之一，每年有數(shù)以萬計的風(fēng)電機(jī)組投入使用。與此同時，風(fēng)電增速機(jī)的生產(chǎn)也逐漸發(fā)展成為集約型、大批量的生產(chǎn)模式。
為了滿足風(fēng)電增速機(jī)及類似齒輪滲碳強(qiáng)化的市場需求，已經(jīng)開發(fā)出了與之適應(yīng)的超大型密封箱式多用爐生產(chǎn)線和真空滲碳爐機(jī)組，其裝爐量5噸，甚至能達(dá)到10噸，有效爐膛尺寸1500 × 1800 × 1200 mm (寬× 長 × 高)，甚至能達(dá)到1500 × 1800 × 1400 mm(寬× 長×高)。完全滿足各種風(fēng)電齒輪滲碳強(qiáng)化的要求，并已經(jīng)投入到實際生產(chǎn)使用當(dāng)中。這就為提高風(fēng)電齒輪質(zhì)量提供了技術(shù)裝備上的保證。
下面就對適合于風(fēng)電齒輪滲碳強(qiáng)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(jī)組幾種解決方案進(jìn)行介紹，并在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上加以比較。
2. 風(fēng)電增速機(jī)齒輪滲碳強(qiáng)化的幾種設(shè)備解決方案比較
2.1 產(chǎn)品對象
為了比較起見，以圖1、2MW的行星增速機(jī)齒輪為對象。此增速機(jī)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(chǎn)線年規(guī)劃產(chǎn)能1500套。每年工作47周，每周工作7天，每天24小時，3班制，產(chǎn)量32臺增速機(jī)。詳細(xì)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(nèi)高壓氮氣強(qiáng)制冷卻后，在密封箱式爐中保護(hù)氣氛淬火。
2.2 參比爐型及生產(chǎn)線構(gòu)成
參與比較的井式滲碳爐以滲碳強(qiáng)化工業(yè)齒輪常用的爐型為準(zhǔn)，見圖2;箱式爐、密封箱式爐、低壓滲碳爐以針對滲碳強(qiáng)化工業(yè)齒輪新開發(fā)的爐型為準(zhǔn)，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(jù)能力計算，完成上述生產(chǎn)任務(wù)對各種爐型生產(chǎn)線解決方案設(shè)備的配置見表2。各種爐型生產(chǎn)線設(shè)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(jī)齒輪明細(xì)和周產(chǎn)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(chǎn)線解決方案設(shè)備配置
生產(chǎn)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(jī)-1111. 密封箱式淬火爐淬火;
預(yù)熱爐-111
滲碳爐6663
淬火槽11-(備注1)
后清洗機(jī)1111
回火爐2222
裝卸料車-122+1
備料臺-141414
自動控制系統(tǒng)-有有有
其他天車、噴丸機(jī)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(shù)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(shù)上的一些比較。
圖11 圖12
2.3.1 熱處理質(zhì)量
由于密封箱式爐和真空爐在市在保護(hù)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(xiàn)象。特別是真空滲碳，由于采用無氧碳?xì)浠衔餄B劑，完全擺脫了普通氣體滲碳內(nèi)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(shè)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(chǎn)大綱為準(zhǔn)，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(chǎn)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(zāi)。
裝料吊入油槽淬火的過程中，會產(chǎn)生幾米高的火焰，要求倍加警惕，并準(zhǔn)備完善的防火措施。同時巨大的油煙對環(huán)境污染嚴(yán)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(diào)運系統(tǒng)的安全性。
圖13 圖14
2.3.4 自動化
就當(dāng)前的技術(shù)水平而言，水平裝卸料的熱處理生產(chǎn)線(包括箱式爐、密封箱式爐和真空爐)以可以實現(xiàn)無人全自動化生產(chǎn)。生產(chǎn)工藝穩(wěn)定可靠，作業(yè)計劃優(yōu)化，文檔管理完善。而對于井式滲碳爐還無法達(dá)到如此的自動化水平。
2.4 參比爐型的經(jīng)濟(jì)性比較
2.4.1 比較基礎(chǔ)
由于中國還沒有這樣的爐型普遍使用，無法進(jìn)行比較。現(xiàn)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(xiàn)價法(net present value methid)進(jìn)行比較。平均資本費用按12%記。
考慮到投資后的生產(chǎn)成本會發(fā)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(shè)備的投資，還要考慮設(shè)備今后的運行成本。要用純現(xiàn)價法計算投資成本需要同時考慮如下的成本支出：
· 設(shè)備采購成本(包括設(shè)備本身和調(diào)試費用)
· 包裝、運輸和保險
· 淬火油
· 工裝卡具
· 配套建設(shè)(設(shè)備基礎(chǔ)、工藝用氣和冷卻水等)
2.4.3 生產(chǎn)成本
與任何類型的公司運營一樣，熱處理公司的生產(chǎn)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(wù)和維修
· 廠房折舊(租賃)及相關(guān)費用
· 管理費用
2.4.4 投資經(jīng)濟(jì)性分析/回報曲線
經(jīng)濟(jì)分析僅從熱處理角度出發(fā)，沒有考慮由于熱處理質(zhì)量提高而給后續(xù)生產(chǎn)帶來的成本節(jié)約。例如，由于密封箱式淬火爐，工件淬火轉(zhuǎn)移時不接觸任何空氣，沒有氧化皮產(chǎn)生，無需后續(xù)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(dǎo)致齒輪箱的失效。這也是巨大的潛在成本的節(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(shè)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(nèi)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(jié)論
3.1 由于技術(shù)和市場的發(fā)展，風(fēng)電增速機(jī)齒輪及類似齒輪已形成集約式、規(guī)模式生產(chǎn)，對于滲碳強(qiáng)化設(shè)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(shù)角度講，密封箱式淬火爐和真空低壓滲碳爐由于在淬火轉(zhuǎn)移過程中工件不接觸空氣，工件表面無表面氧化脫碳現(xiàn)象。特別是真空滲碳爐根本擺脫了內(nèi)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(qiáng)化生產(chǎn)線均采用密閉式油槽，淬火時無油煙和著火現(xiàn)象，環(huán)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(qiáng)化生產(chǎn)線由于不用天車吊運爐料，工裝重量輕，壽命長，制造維護(hù)成本低，無功耗能低，可實現(xiàn)全自動化操作。
3.5 從投資經(jīng)濟(jì)性上講，箱式爐齒輪強(qiáng)化生產(chǎn)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(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面，對于風(fēng)電齒輪類似滲碳強(qiáng)化的滲碳設(shè)備，密封箱式淬火爐和真空爐滲碳強(qiáng)化生產(chǎn)線比較好，密封箱式淬火爐生產(chǎn)線在一定時間后回報性更好。
3.8 井式爐滲碳強(qiáng)化生產(chǎn)線雖然對于風(fēng)電齒輪滲碳強(qiáng)化上在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均沒有大的優(yōu)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(yōu)勢。