风电齿轮渗碳强化的技术途径及技术经济分析
易普森工业炉(上海)有限公司 范寒晋 刘晔东
易普森国际有限公司 Herbert Hans, Ralf Giebmanns
1. 引言
增速机是风力发电机组的关键部件之一，使用寿命要求在20年以上。风电机组通常被安置在多风的野外或海滩上，四季变化，工况复杂，而且由于增速机被置于塔架之上的机房内，塔架高度有七八十米，装卸十分困难，维修费用奇高。这就要求增速机具有高质量和高可靠性。
增速机一般采用行星齿轮设计。每台增速机有8到10个齿轮，材料一般采用18CrNiMo7-6，有效硬化层深(Cd550)范围约在1.6-4mm，直径约在180-1100mm左右，长度(高度)在120-1100mm左右，单件重量从90公斤到1000公斤不等，总重大约在2-4吨。
过去由于类似规格的工业齿轮多为小批量、多品种生产模式，对其渗碳强化大多采用井式渗碳炉生产线。随着对渗碳强化质量要求的不断提高，也有一些密封箱式多用炉生产线和真空渗碳炉机组被采用。但由于装炉量、炉膛尺寸的限制，仍无法满足像以上风电增速机齿轮渗碳强化的要求。
众所周知，在世界范围内，风力发电已被作为重点发展的可再生能源战略之一，每年有数以万计的风电机组投入使用。与此同时，风电增速机的生产也逐渐发展成为集约型、大批量的生产模式。
为了满足风电增速机及类似齿轮渗碳强化的市场需求，已经开发出了与之适应的超大型密封箱式多用炉生产线和真空渗碳炉机组，其装炉量5吨，甚至能达到10吨，有效炉膛尺寸1500 × 1800 × 1200 mm (宽× 长 × 高)，甚至能达到1500 × 1800 × 1400 mm(宽× 长×高)。完全满足各种风电齿轮渗碳强化的要求，并已经投入到实际生产使用当中。这就为提高风电齿轮质量提供了技术装备上的保证。
下面就对适合于风电齿轮渗碳强化的井式渗碳炉、箱式渗碳炉、超大型密封箱式多用炉和真空渗碳炉机组几种解决方案进行介绍，并在技术和经济上加以比较。
2. 风电增速机齿轮渗碳强化的几种设备解决方案比较
2.1 产品对象
为了比较起见，以图1、2MW的行星增速机齿轮为对象。此增速机有8个齿轮，齿轮总重量3.4吨。齿轮的有效硬化层要求分别为Cd550= 3.0、2.5、2.0 毫米。其中最大齿轮直径1115毫米，最长齿轮轴长1248毫米。生产线年规划产能1500套。每年工作47周，每周工作7天，每天24小时，3班制，产量32台增速机。详细情况见表1。气体渗碳温度950℃(包括井式炉、箱式炉和密封箱式炉)，真空渗碳温度1050℃。气体渗碳工艺采用直接淬火工艺，真空渗碳采用炉内高压氮气强制冷却后，在密封箱式炉中保护气氛淬火。
2.2 参比炉型及生产线构成
参与比较的井式渗碳炉以渗碳强化工业齿轮常用的炉型为准，见图2;箱式炉、密封箱式炉、低压渗碳炉以针对渗碳强化工业齿轮新开发的炉型为准，见图3、图4，。各种炉型的不同齿轮的装炉方式见图5、图6。
根据能力计算，完成上述生产任务对各种炉型生产线解决方案设备的配置见表2。各种炉型生产线设备平面布置见图7、图8、图9、图10。
图1 图2
表1、样本2MW行星增速机齿轮明细和周产量
名称重量/件(公斤)尺寸(毫米)件/台台/周件/周公斤/周层深(毫米)
一级行星轮400D610x3703329638,4003.0
一级齿轮轴505D345x12481323216,1603.0
二级齿轮945D1115x2421323230,2402.5
二级齿轮轴310D330x780132329,9202.5
三级齿轮308D845x120132329,8562.0
输出轴122D215x920132323,9042.0
图3 图4
图5 图6
表2、各种炉型生产线解决方案设备配置
生产线配置井式炉箱式炉密封淬火箱式炉真空炉备注
前清洗机-1111. 密封箱式淬火炉淬火;
预热炉-111
渗碳炉6663
淬火槽11-(备注1)
后清洗机1111
回火炉2222
装卸料车-122+1
备料台-141414
自动控制系统-有有有
其他天车、喷丸机喷丸--
图7 图8
图9 图10
表3是2.5毫米渗碳层深齿轮在各种炉型渗碳处理的渗碳温度、渗碳工艺时间、净装炉量、毛装炉量和工装的重量。
表3
井式炉箱式炉密封箱式炉真空炉
渗碳温度950℃950℃950℃1050℃
渗碳工艺时间35.16 h30.85 h30.185 h18.44 h
净装炉量4339 kg4018 kg4018 kg4018 kg
毛装炉量6668 kg4811 kg4811 kg4811 kg
工装重量2329 kg793 kg793 kg793 kg
2.3 各种炉型的技术性比较
比较时均以井式渗碳炉为对象。图11是对几种炉型在技术上的一些比较。
图11 图12
2.3.1 热处理质量
由于密封箱式炉和真空炉在市在保护气氛下淬火，淬火时工件不接触空气，因而不会形成氧化皮和像井式渗碳炉和箱式渗碳炉那样明显的氧化脱碳现象。特别是真空渗碳，由于采用无氧碳氢化合物渗剂，完全摆脱了普通气体渗碳内氧化的困扰。
2.3.2 渗碳周期
渗碳速度随温度提高而加快。真空渗碳炉特殊的设计可以在高温下使用，渗碳周期大大缩短。真空低压渗碳周期随时间变化曲线见图12。。
2.3.3 工装
由于井式炉需用天车吊运的特性，其工装厚大笨重，制作成本高、耗能、寿命短，维修成本高。而水平式炉(箱式渗碳炉、密封箱式淬火炉、真空渗碳炉)由于用专门的装卸料车搬运装卸工件，工装重量大大减轻，制作成本低，加热时间短，耗能小，工艺用气少，降温时间快，大大缩短了渗碳工艺时间。但就工装而言，以完成本生产大纲为准，井式炉比其它炉型多处理了约1730吨工装。
2.3.3 安全性
就安全而言，井式渗碳炉生产线有许多危险的因素。开式油槽安全性差，油槽失火是所有热处理车间的灭顶之灾。
装料吊入油槽淬火的过程中，会产生几米高的火焰，要求倍加警惕，并准备完善的防火措施。同时巨大的油烟对环境污染严重，要求配备非常昂贵的排演和虑烟装置。见图13。
为了减少危险，需要不断的检查、评估调运系统的安全性。
图13 图14
2.3.4 自动化
就当前的技术水平而言，水平装卸料的热处理生产线(包括箱式炉、密封箱式炉和真空炉)以可以实现无人全自动化生产。生产工艺稳定可靠，作业计划优化，文档管理完善。而对于井式渗碳炉还无法达到如此的自动化水平。
2.4 参比炉型的经济性比较
2.4.1 比较基础
由于中国还没有这样的炉型普遍使用，无法进行比较。现以在德国的情况加以比较。虽然与中国相比会有一些出入，但仍不失有一定的参考借鉴意义。
以投资后任意财年的纯现价法(net present value methid)进行比较。平均资本费用按12%记。
考虑到投资后的生产成本会发生变化，采用了两种不同的市场条件：
条件1.
· 在每桶油价格为52美元时天然气的价格为0.25欧元/立方米。
· 市场热处理价格为1.10欧元/公斤。
条件2.
· 在每桶油价格为150美元时天然气的价格为0.25欧元/立方米。
· 市场热处理价格为0.95欧元/公斤。
2.4.2 投资成本
要确定投资成本不仅仅要考虑纯设备的投资，还要考虑设备今后的运行成本。要用纯现价法计算投资成本需要同时考虑如下的成本支出：
· 设备采购成本(包括设备本身和调试费用)
· 包装、运输和保险
· 淬火油
· 工装卡具
· 配套建设(设备基础、工艺用气和冷却水等)
2.4.3 生产成本
与任何类型的公司运营一样，热处理公司的生产成本也包括固定费用和变动费用。
变动费用包括：
· 天然气
1.在每桶油价格为52美元时天然气的价格为0.25欧元/立方米。
2.在每桶油价格为150美元时天然气的价格为0.25欧元/立方米。
· 电费0.08欧元/千瓦时
· 淬火油2.00欧元/公斤
· 工装
· 工艺气体
固定费用包括：
· 人员工资
· 服务和维修
· 厂房折旧(租赁)及相关费用
· 管理费用
2.4.4 投资经济性分析/回报曲线
经济分析仅从热处理角度出发，没有考虑由于热处理质量提高而给后续生产带来的成本节约。例如，由于密封箱式淬火炉，工件淬火转移时不接触任何空气，没有氧化皮产生，无需后续的如喷丸等清理工序，也不会由于氧化皮脱落到齿轮箱冷却油中导致齿轮箱的失效。这也是巨大的潜在成本的节约，但在分析时都不涉及。
在条件1(天然气价格0.25欧元/立方米，热处理价格1.10欧元/公斤)情况下，不同炉型的投资回报时间见图14和表3。
表3： 条件1(天然气价格0.25欧元/立方米，热处理价格1.10欧元/公斤)不同炉型的投资回报时间
井式炉箱式炉密封箱式炉真空炉
投资额(欧元)3,831,5503,402,2004,593,1003,958,400
三年后纯现价值(NPV)(欧元)2,439,1584,420,5213,015,4852,652,971
回报时间(月)约21142020
在表3和图14中可以看出，箱式炉初始投资是3,402,200欧元，大约在14个月后就收回了投资，3年以后盈利4,420,621欧元。
密封箱式淬火炉、真空炉和井式炉在初期投资时均高于箱式炉，使投资回收时间分别为20个月、20个月和21个月。
在条件2(天然气价格0.50欧元/立方米，热处理价格0.95欧元/公斤)情况下，不同炉型的投资回报时间见图15和表4。
表4： 条件2(天然气价格0.50欧元/立方米，热处理价格0.95欧元/公斤)不同炉型的投资回报时间
井式炉箱式炉密封箱式炉真空炉
投资额(欧元)3,831,5503,402,2004,593,1003,958,400
三年后纯现价值(NPV)(欧元)620,0652,526,091981,597965,732
回报时间(月)约31192928
在表4和图15中可以看到，能源价格和热处理市场价对设备的投资回报影响很大。
在条件2的情况下，箱式炉、密封箱式炉、真空炉和井式炉在3年内均得到了回报，时间分别为19个月、29个月、28个月和31个月。
在条件2时，密封箱式炉在初期投资时，其比井式炉投资高出了761,550欧元，但其比井式炉的回报时间却早，而且在34个月的时候起投资回报也赶上了真空炉。
图15
3. 结论
3.1 由于技术和市场的发展，风电增速机齿轮及类似齿轮已形成集约式、规模式生产，对于渗碳强化设备除可以选择井式炉外，也可以选择箱式炉、密封箱式炉和真空炉。
3.2 从技术角度讲，密封箱式淬火炉和真空低压渗碳炉由于在淬火转移过程中工件不接触空气，工件表面无表面氧化脱碳现象。特别是真空渗碳炉根本摆脱了内氧化的困扰，同时渗碳周期短，变形小。
3.3 密封箱式淬火炉、真空炉和箱式炉齿轮强化生产线均采用密闭式油槽，淬火时无油烟和着火现象，环保安全性好。
3.4 水平式装料的密封箱式淬火炉、真空炉和箱式炉齿轮强化生产线由于不用天车吊运炉料，工装重量轻，寿命长，制造维护成本低，无功耗能低，可实现全自动化操作。
3.5 从投资经济性上讲，箱式炉齿轮强化生产线初始投资低，投资回报期短。
3.6 原材料价格和热处理市场价格的变动会明显影响投资回报。
3.7 如综合考虑技术和经济两方面，对于风电齿轮类似渗碳强化的渗碳设备，密封箱式淬火炉和真空炉渗碳强化生产线比较好，密封箱式淬火炉生产线在一定时间后回报性更好。
3.8 井式炉渗碳强化生产线虽然对于风电齿轮渗碳强化上在技术和经济上均没有大的优势，但对于大直径齿轮和长轴齿轮渗碳方面有不可替代的优势。