超大型密封箱式淬火炉生产线在风电齿轮渗碳强化上的应用

        风能作为重要的绿色能源之一，近年来在世界范围内引起了广泛的重视，同时与之相应的风力发电技术和设备也得到了飞速的发展。与世界一样，在中国风电已被作为重要的产业发展迅速。仅仅对于中国国内市场，根据中国风能协会统计，中国风电总装机规模2008年就将突破1000万千瓦，到2010年年底，全国风电累计装机容量预计达到2000万千瓦，到2020年年底，中国的风电可能达到8000万千瓦，甚至可能达到1亿千瓦。也就是说，以每台风力发电机组的装机功率为1500千瓦计，2008年-2010年两年就要投入使用至少约6700台风力发电机组，平均每年3350台。2010年-2020年10年间，要至少投入使用约53400台风力发电机组，平均每年5340台。通过不断的的引进、合作制造、消化吸收，中国已经具备了自行生产大功率风力发电设备的能力，并正在向集约化，批量化方向发展。

        过去，风电增速机齿轮以及类似齿轮的渗碳强化采用直径为2.5米的井式炉生产线。但随着风电设备产量的迅速提高，原来的井式炉生产线的生产能力已远远满足不了要求。

        众所周知，密封箱式淬火炉生产线与井式渗碳炉生产线相比有许多优点，如：

·    由于加热室到淬火室的转移有气氛保护，工件表面没有氧化和脱碳现象

·    没有油烟、着火等污染环境和安全的危险

·    机械化自动化程度高，劳动强度低，人为影响小，质量稳定

        但过去由于技术和市场需求的限制，密封箱式淬火炉生产线的规格小，不能够满足像风电齿轮这样大规格、批量化生产的要求。易普森TQF-37-ERM(XXL)超大型密封箱式淬火炉生产线，装炉量可达5吨，炉膛尺寸为宽1.5米、长1.8米、高1.2米。它适合像风电齿轮这样中大型齿轮的渗碳强化要求，该生产线于2008年11月投入生产使用。

 

2. 风电增速机齿轮

        增速机是风力发电机组上的关键部件。图1是一台1.5兆瓦风电设备上的增速机，它是一台3级增速的行星齿轮箱，它包括6种、10个齿轮，齿轮总重2021公斤，见表1。齿轮材料采用20CrNiMo7-6，化学成分见表2。齿轮热处理技术要求见表3。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图1、1.5兆瓦风电机组增速机                                  图2、密封箱式淬火炉生产线实物照片

 

                      表1、

表2、20CrNiMo7-6化学成分%                                                                                          重量百分比

                                                 

表3

	渗碳层深* （毫米）	金相组织	硬度
1	2.4-2.8	碳化物  ≤ 3 马氏体  ≤ 4 残余奥氏体  ≤ 20% 表面脱碳  ≤ 20µm 晶间内氧化 ≤ME	表面硬度 HRC 59-62   心部硬度 HV1   320-420
2	2.4-2.8
3	1.9-2.1
4	1.9-2.1
5	1.4-1.7
6	1.4-1.7
7	磨齿后表面含碳量：0.65-0.90%C.

* at HV550

 

3. 超大型密封箱式淬火炉生产线

        超大型密封箱式淬火炉生产线组成见表4、图2。

表2、

名称	型号	有效炉膛：宽X长X高（毫米）	装炉量（公斤）	数量
密封箱式淬火炉	TQF-37-ERM(XXL)	1500X1800X1200	5000	6
计算机控制系统	Carb-O-Prof			1
一氧/二氧化碳分析仪	CO-6			1
清洗机	WPSD-37-E(XXL)	1500X1800X1200	5000	1
吸热式气氛发生器	G-2000-E	1500X1800X1200	5000	2
吸热式气氛发生器	G-4000-E	1500X1800X1200	5000	2
高温回火炉	D-37-E(XXL)	1500X1800X1200	5000	4
低温回火炉	DL-37-E(XXL)	1500X1800X1200	5000	4
装料车	L-37 pt	1500X1800X1200	5000	1
装卸料车	UnL-37 pt	1500X1800X1200	5000	1
...

 

3.1 密封箱式淬火炉TQF-37-ERM(XXL) (图 3)

贯通式设计，18支集束式电加热，功率315千瓦，工作温度750-1000℃，带氮化硅马弗，炉料从加热室向淬火室冷链传输系统。超级淬火油槽(图 4)，油槽容积30立方米，4台5.5千瓦搅拌器，淬火油槽工作温度20-150℃，基础深度2100毫米。吸热式气氛。前门、中门和后炉门开闭气缸两边布置。炉子最高点离地面5890毫米，。炉温均匀性±7 °C (表 5).。气氛均匀性±0.05%C。装料进入炉内整个工艺过程全部自动化。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   图3、 TQF-37-ERM(XXL)                                                           图4、超级淬火油槽

 

 

表5-1、 940 °C炉温均匀性                                     表5-2、810 °C炉温均匀性    

测量点	设定	实测
1	940	941
2	940	941
3	940	938
4	940	940
5	940	936
6	940	936
7	940	938
8	940	944
9	940	943
10	940	940

测量点	设定	实测
1	810	812
2	810	809
3	810	807
4	810	805
5	810	807
6	810	807
7	810	806
8	810	814
9	810	813
10	810	811

 

3.2 清洗机WPSD-37-E(XXL) (图 5)

        清洗机带有主槽和附槽，可实现浸洗、同时上下串动、喷淋和热风吹干。升降台升降由两个汽缸提升。最高点离地面高度6732毫米，基础深度700毫米。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     图5、WPSD-37-E(XXL)                                                       图6、D/DL-37-E(XXL)

3.3 高/低温回火炉D/DL-37-E(XXL) (图6)

单室回火炉，两个循环风扇，电加热。高温回火炉加热功率180千瓦，工作温度150-750 °C，带氮气保护；低温回火炉加热功率120千瓦，工作温度150-450 °C 。温度均匀性± 7 °C (表6)。工作最高点离地面高度6321毫米。

                                                   表6、210 °C温度均匀性

4. 典型渗碳强化工艺（图6）

        典型的渗碳强化工艺流程见图7。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   图7、典型渗碳强化工艺                                    图8、一级太阳轮装料照片

4.1 一级太阳轮

        一级太阳轮装炉照片、执行工艺见图8、图9，最终检验结果和有效硬化层曲线见表7、图10。

                                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图8、一级太阳轮渗碳工艺                                                    图9、一级太阳轮有效硬化层曲线

                                         表7、一级太阳轮检验结果

No.	Cd	Cem	M’	R, A	Deo.	HRCcore	IGO
1	2.67	1	3	‹20%	‹0.02	40.5	‹0.02
2	2.53	1	3	‹20%	‹0.02	38.5	‹0.02
3	2.71	1	¾	‹20%	‹0.02	39.0	‹0.02
4	2.62	1	3	‹20%	‹0.02	38.0	‹0.02
5	2.65	1	3	‹20%	‹0.02	40.0	‹0.02

 

 

 

 

4.2 二级太阳轮

        二级太阳轮装炉照片、执行工艺见图10、图11，最终检验结果和有效硬化层曲线见表8、图12。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图10、二级太阳轮装料照片                                                 图11、二级太阳轮渗碳工艺

                                        表8、二级太阳轮检验结果

4.3 输出轴齿轮

        输出轴齿轮装炉照片、执行工艺见图13、图14，最终检验结果和有效硬化层曲线见表9、图15。

                                           表9、输出齿轮检验结果

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图12、二级太阳轮有效硬化层曲线                                          图13、输出轴装料照片

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图14、输出轴渗碳工艺                                                  图15、输出轴有效硬化层曲线

 

5. 结论

5.1 超大规格密封箱式淬火炉生产线满足风电增速机齿轮及类似齿轮渗碳强化的要求。

5.2 在环保安全、机械化、自动化、质量稳定性重复性、劳动强度和质量人为影响方面鸣响由于井式炉渗碳生产线。

5.3 经过一段时间的工艺优化，风电齿轮经TQF-37-ERM(XXL)密封箱式淬火炉生产线渗碳强化后，产品质量满足图纸要求。

5.4 在不断总结经验的基础上，渗碳强化工艺还可以进一步的优化和简化，以提高生产效率降低生产成本。