節(jié)能熱處理技術(shù)和設(shè)備在軸承行業(yè)的應(yīng)用
2009-02-231. 我國軸承行業(yè)持續(xù)快速穩(wěn)定的發(fā)展
我國軸承行業(yè)經(jīng)過建國以來五十多年的建設(shè)和發(fā)展，特別是改革開放以來持續(xù)、快速、穩(wěn)定的發(fā)展，已形成了較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。2007年全行業(yè)生產(chǎn)各類軸承90億套，實(shí)現(xiàn)銷售收入760億元。軸承產(chǎn)量和銷售收入居世界第三位。
我國軸承進(jìn)出口貿(mào)易額逐年攀升。2007年軸承出口創(chuàng)匯21億美元，進(jìn)口用匯21億美元，進(jìn)出口持平。
“九五”以來，我國軸承行業(yè)經(jīng)濟(jì)成分發(fā)生了深刻的變化。至2006年，按銷售額計(jì)算，已形成國有:民營:三資＝16:63:21的格局。
我國軸承行業(yè)技術(shù)水平逐步提高，已具有一定的技術(shù)實(shí)力。有一所（洛軸所）、一院（中機(jī)十院）、一校（河南科大）作為依托。全行業(yè)現(xiàn)有國家級企業(yè)技術(shù)中心5個（萬向、瓦軸、哈軸、洛軸、西北）、博士后科研工作站5個（萬向、龍溪、洛軸所、西北、杭州中心）、國家級實(shí)驗(yàn)室6個（洛軸所、杭州中心、上海所、萬向、龍溪、瓦軸）。全行業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力有很大提高，掌握的軸承品種規(guī)格已由1999年的39000種增加到2005年的66000多種。為重大裝備和重點(diǎn)主機(jī)的配套率達(dá)到80%左右。高端產(chǎn)品開發(fā)有重大突破。以“神五”、“神六”、“嫦娥一號”配套軸承為代表的航天航空軸承及其他國防裝備配套軸承均已立足國內(nèi)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。長期制約為國內(nèi)主機(jī)配套和擴(kuò)大出口的微小型深溝球軸承的振動噪聲和密封性能問題，通過中國軸協(xié)組織的全行業(yè)技術(shù)攻關(guān)，已取得顯著效果，基本上可以滿足國內(nèi)主機(jī)配套和擴(kuò)大出口的要求，部分企業(yè)的產(chǎn)品已達(dá)到或者接近同類產(chǎn)品的水平。
2. 我國軸承熱處理技術(shù)和裝備取得的長足進(jìn)步
“六五”、“七五”、“八五”經(jīng)濟(jì)建設(shè)時(shí)期，有二十多家軸承制造企業(yè)先后從日本、英國、美國、瑞士、西德、奧地利、意大利等工業(yè)發(fā)達(dá)國家引進(jìn)設(shè)備的使用、消化吸收，其中的主要類型設(shè)備在“八五”末期基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，有力地促進(jìn)了我國軸承熱處理裝備的技術(shù)進(jìn)步和電爐行業(yè)的制造水平。
推桿式等溫球化退火爐在軸承行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，目前該類型設(shè)備是軸承零件退火的主要設(shè)備。軸承零件保護(hù)氣氛退火已開始引起重視，并開始在生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用。
軸承零件淬回火設(shè)備主要有網(wǎng)帶爐、鑄鏈、輥底爐、多用爐、轉(zhuǎn)底爐、滾筒爐生產(chǎn)線，這些生產(chǎn)線是我國軸承行業(yè)熱處理設(shè)備的主力設(shè)備，也代表了我國軸承熱處理裝備水平，這些裝備的推廣應(yīng)用，大大提高了我國軸承零件熱處理質(zhì)量水平，工件淬火后氧化脫碳層由原來的0.06～0.1 mm降到0.03 mm以下，批量硬度差由原來的2HRC降到1.5HRC以下，同件硬度差由原來的1.5HRC降到1HRC以內(nèi)，壓縮磨削留量1/3～1/2，提高磨工效率15%～22％，為我軸承質(zhì)量總體水平的提高做出了貢獻(xiàn)。
滲碳熱處理設(shè)備主要有推桿式、輥底式、網(wǎng)帶式氣體滲碳自動生產(chǎn)線，也有多用爐、真空滲碳爐、井式爐、周期式滲碳爐，滲碳?xì)夥盏奶紕菘刂拼蠖嗖捎米詣涌刂葡到y(tǒng)，也有采用流量控制。
3. 我國軸承熱處理技術(shù)和裝備的發(fā)展方向
⑴ 中小型軸承套圈大批量生產(chǎn)熱處理裝備采用無馬弗托輥式可控氣氛網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線、可控氣氛鑄鏈爐生產(chǎn)線，取代輸送帶爐、振底爐、箱式爐等落后爐型。
⑵ 中大型、大型軸承套圈大批量生產(chǎn)熱處理裝備采用可控氣氛輥底爐生產(chǎn)線和多用爐生產(chǎn)線。
⑶ 特大型軸承套圈熱處理裝備采用可控氣氛周期式熱處理爐或加裝微機(jī)碳勢控制裝置的井式爐。
⑷ 開發(fā)可控氣氛帶硝鹽馬氏體淬火小輥棒爐和輥底爐生產(chǎn)線。
⑸ 推廣應(yīng)用連續(xù)式可控氣氛滲碳生產(chǎn)線。
⑹ 開發(fā)汽車輪轂軸承高頻淬回火自動生產(chǎn)線。
⑺ 軸承滾動體大批量生產(chǎn)熱處理裝備采用滾筒爐生產(chǎn)線，取代仿蘇鼓型爐生產(chǎn)線。
⑻ 開發(fā)輥底式氮基保護(hù)氣氛等溫球化退火爐。
⑼ 發(fā)展和應(yīng)用下貝氏體等溫淬火工藝裝備。
⑽ 研制開發(fā)與可控氣氛輥底爐、轉(zhuǎn)底爐配套的自動模壓淬火機(jī)床。
⑾ 加大真空熱處理裝備的比例。
⑿ 研制開發(fā)與網(wǎng)帶爐、鑄鏈爐生產(chǎn)線配套的量變型分選機(jī)。
二、軸承行業(yè)熱處理節(jié)能措施
眾所周知，軸承熱處理是個耗能大戶，軸承熱處理設(shè)備90%以上采用電加熱，俗稱“電老虎”，其電耗占軸承制造業(yè)電耗的25-30%。同時(shí)，在熱處理工藝過程中不斷產(chǎn)生熱輻射能、廢煙氣、粉塵和噪音等，對環(huán)境造成一定程度的污染。因此，開發(fā)節(jié)能、環(huán)保型熱處理技術(shù)和裝備是軸承行業(yè)亟待解決的問題。
近些年來，我國軸承行業(yè)從以下幾方面采用措施，提高軸承熱處理的節(jié)能和環(huán)保效果。
1. 優(yōu)化工藝節(jié)能
經(jīng)過大量工藝試驗(yàn)，在保證熱處理質(zhì)量得到提高的前提下，對熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化簡化，然后合理設(shè)計(jì)加熱爐各區(qū)段長度和加工節(jié)拍，充分發(fā)揮熱效能產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。這方面Z突出的是北京天馬軸承有限公司和北京建通盈動工業(yè)爐公司共同開發(fā)研制的多功能輥底可控氣氛熱處理生產(chǎn)線。
2. 利用余熱節(jié)能
財(cái)政部近期發(fā)布信息說，中央財(cái)政將十大重點(diǎn)節(jié)能工程進(jìn)行獎勵。十大節(jié)能工程包括“余熱余壓利用工程”。
軸承鋼退火是軸承行業(yè)耗能Z大的工序之一。多年來，軸承生產(chǎn)企業(yè)在降低軸承鋼退火能耗上下了不少功夫。軸承鋼鍛造余熱退火曾風(fēng)行一時(shí)。但是，這一節(jié)能工藝雖然理論上可行，但實(shí)際操作上存在諸多難以解決的問題。Z后都以失敗告終。
近年來，一些軸承熱處理設(shè)備制造優(yōu)勢企業(yè)，如杭州金舟電爐有限公司、蘇州工業(yè)園區(qū)勝龍電爐制造有限公司，轉(zhuǎn)而在利用熱處理余熱上做文章，研發(fā)了“熱回收型連續(xù)等溫退火爐”、“雙層輥底式保護(hù)氣氛球化退火爐”，取得了高效節(jié)能的效果。
3. 智能控制節(jié)能
河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院研發(fā)的軸承智能退火控制系統(tǒng)，在充分利用企業(yè)原有退火爐體的情況下，配置的該系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行過程中反饋獲得的退火爐熱特性、溫場分布、裝爐量等參量，智能化地調(diào)節(jié)各區(qū)加熱溫度，冷卻速度等參量，自動完成退火的全過程，排除了操作上的人為因素，取得了顯著的節(jié)能效果。
4. 減少熱損失節(jié)能
軸承生產(chǎn)企業(yè)和軸承熱處理制造企業(yè)聯(lián)手，在減少軸承熱處理加熱過程中的熱損失下功夫。
一是以輥底爐取代推桿（盤）爐，免除了料盤的熱損失。（一公斤鋼件從室溫升800℃，需吸熱1.03千卡）。
二是優(yōu)化爐膛設(shè)計(jì)，同時(shí)合理選用高強(qiáng)度輕質(zhì)抗?jié)B碳磚、優(yōu)質(zhì)陶瓷纖維制品等保溫隔熱材料，減少爐襯材料的蓄熱損失和爐壁表面的散熱損失。
三是優(yōu)勢熱處理制造廠家，如金舟電爐有限公司等，在制造熱處理爐構(gòu)件時(shí)，采用大型數(shù)控設(shè)備加工，提高加工精度，提高傳動輥的水平精度，提高爐殼剛性和密封性，減少焊縫，從而減少熱損失和氣氛損失。
三、軸承節(jié)能熱處理技術(shù)和裝備典型案例
1. 多功能輥底可控氣氛熱處理生產(chǎn)線
由北京天馬軸承有限公司和北京建通盈動工業(yè)爐公司共同研制的多功能輥底式可控氣氛熱處理生產(chǎn)線一種高質(zhì)量、高效率、節(jié)能、環(huán)保型，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平的熱處理裝備。
該生產(chǎn)線由輥底式加熱爐、升降式淬火硝鹽槽、油槽、輥底式清洗爐、烘干機(jī)和雙層輥底式等溫回火爐等主要設(shè)備構(gòu)成。
通過編程調(diào)整工藝參數(shù)，在這一條生產(chǎn)線上可以完成四種不同的熱處理工藝：普通馬氏體淬、回火，馬氏體分級淬、回火，貝氏體等溫淬火，貝氏體分級淬火等。
這一生產(chǎn)線是引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新和集成創(chuàng)新的成果，在以下幾方面在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平：在一條生產(chǎn)線上具有四種不同的功能，不僅可以進(jìn)行通常的普通馬氏體淬火而且可以進(jìn)行馬氏體分級淬火和貝氏體分級淬火；以硝鹽淬火介質(zhì)取代油淬火介質(zhì)；用空氣回火爐取代硝鹽槽進(jìn)行貝氏體等溫處理；淬火采用計(jì)算機(jī)控制的升降式機(jī)構(gòu)；整條生產(chǎn)線高度密封、零排放。
在保證強(qiáng)度、硬度、金相組織和殘留奧氏體量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的前提下，貝氏體分級淬火比普通馬氏體淬火沖擊韌性GCr15提高26.6%，GCr18Mo提高36.8%。軸承在很多應(yīng)用主機(jī)，如軋鋼機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、鐵路客車等，需要承受很大的沖擊載荷，因而需要提高的沖擊韌性，普通馬氏體淬火已不能適應(yīng)這一要求。這一生產(chǎn)線的研制成功，就為適應(yīng)高沖擊載荷的軸承制造提供了熱處理設(shè)備。
這條熱處理生產(chǎn)線不僅能保證熱處理質(zhì)量，硬度、金相組織、變形和表面脫貧碳均能達(dá)到國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，并較之以前有很大提高，而且，由于熱處理工藝的優(yōu)化和設(shè)備密封性能的提高，節(jié)能效果明顯。全國軸承行業(yè)熱處理平均耗電量為730KWh/噸，這條生產(chǎn)線耗電指標(biāo)達(dá)到550KWh/噸。如在全行業(yè)推廣應(yīng)用，將產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)由于升降式的入浴方式，大幅度減少淬火變形，因而可以減少加工留量，達(dá)到節(jié)材的效果。
2. 雙層輥底式保護(hù)氣氛球化退火爐
眾所周知，球化退火工件降溫至650℃以下即可出爐空冷，大量退火余熱未加利用。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的Z佳效果，2007年5月，杭州金舟電爐有限公司創(chuàng)新開發(fā)了“雙層輥底式保護(hù)氣氛球化退火爐”。根據(jù)球化退火工藝的特點(diǎn)，將爐體設(shè)計(jì)成雙層輥底爐，上層進(jìn)料，分設(shè)進(jìn)料臺、余熱利用室、加熱區(qū)段、保溫區(qū)段、快冷室，下層為出料臺、余熱利用室、緩冷區(qū)段、等溫區(qū)段、快冷室。上下層的余熱利用室為一個貫通室，無隔離，安裝一臺熱循環(huán)風(fēng)機(jī)，加強(qiáng)循環(huán)換熱，利用退火余熱預(yù)熱進(jìn)爐冷態(tài)工件，使工件從室溫升溫至300～350℃；上下層的快冷室為一個升降通道，內(nèi)設(shè)升降機(jī)，使工件從上層轉(zhuǎn)到下層。雙導(dǎo)爐的結(jié)構(gòu)保證了余熱充分利用的節(jié)能退火工藝：進(jìn)爐→余熱利用升溫→加熱→保溫→快冷→等溫→緩冷→（余熱利用）強(qiáng)冷→出爐。
余熱利用節(jié)能雙層退火爐，耗電下降150～220KWh／噸鋼，與我國軸承行業(yè)球化退火耗電240～290KWh／噸鋼比較，節(jié)電近90KWh／噸鋼，節(jié)電率達(dá)到30%以上。并且退火質(zhì)量優(yōu)良：無氧化，脫碳層深度≤0.10mm，鋼材利用率提高3%以上，特別適用于冷輾套圈的退火。球化退火顯微組織為均勻、細(xì)小、彌散、圓整分布的球（粒）狀球光體，可穩(wěn)定地控制在2～2.5級（相當(dāng)于SKF標(biāo)準(zhǔn)的CG2.1～2.3級）范圍內(nèi)。球化退火后，硬度為185～202HBW，單件硬度差±5HBW，整批硬度散差＜15HBW。
3. 高效能的的熱回收型連續(xù)等溫退火爐
蘇州工業(yè)園區(qū)勝龍電爐制造有限公司研發(fā)的這種電爐有兩個爐道，兩個爐道平行反向設(shè)置。每個爐道依次排列有預(yù)熱段、加熱保溫段、快冷段、等溫段和冷卻段。兩個爐道中，一個爐道的預(yù)熱段與另一個爐道的冷卻段之間設(shè)置熱交換機(jī)構(gòu)，充分利用一個爐道工件冷卻放出的熱量，作為另一個爐道的預(yù)熱用，可以使進(jìn)爐工件加熱到400℃以上。
這種爐型融節(jié)能型等溫退火爐技術(shù)與熱回收技術(shù)為一體，將工件預(yù)熱作為二次能源開發(fā)，具有明顯的節(jié)能效果。以250KW的SLRTd-250退火爐為例，年產(chǎn)量可達(dá)5400噸，年節(jié)電80萬度，與普通節(jié)能型退火爐比較，年節(jié)電費(fèi)用達(dá)55～60萬元。兩年的節(jié)電費(fèi)用就可以回收整臺設(shè)備投資。
這種爐型加工質(zhì)量穩(wěn)定，軸承零件退火硬度HRB89-92，金相組織2-3級，合格率100%。
4. 油電、氣電復(fù)合加熱技術(shù)
⑴ 油電復(fù)合加熱技術(shù)
上世紀(jì)90年代，東南沿海省市缺電少煤，金舟電爐有限公司創(chuàng)新開發(fā)了輥底式油電復(fù)合加熱等溫球化退火爐，成功地將先進(jìn)的工藝技術(shù)與熱處理設(shè)備集成創(chuàng)新，使軸承鋼球化退火縮短至8～9小時(shí)，而球化退火顯微組織達(dá)到均勻、細(xì)小、彌散、圓整分布的理想目標(biāo)；先進(jìn)的燃油技術(shù)使煙塵黑度系列達(dá)到林格曼1級，完全符合環(huán)保要求。
⑵ 氣電復(fù)合加熱技術(shù)
天然氣是優(yōu)質(zhì)的一次能源，金舟電爐有限公司根據(jù)用戶具備的條件，將天然氣控溫加熱和電加熱控溫相結(jié)合，研發(fā)了氣-電復(fù)合加熱輥底式球化退火爐，實(shí)現(xiàn)了溫控、電控、過程控制機(jī)電一體化，退火質(zhì)量國內(nèi)領(lǐng)先，節(jié)能水平達(dá)到了一個新的高度。
5. 軸承鋼智能化退火控制系統(tǒng)
河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院充分發(fā)揮學(xué)校在數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電器、材料、軟件等多學(xué)科的優(yōu)勢，研制開發(fā)軸承鋼智能化退火控制系統(tǒng)。在充分利用企業(yè)原有退火爐體的情況下，配置的該系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行過程中反饋獲得的加熱爐熱特性、溫場分布、裝爐量等參量，智能化地調(diào)整各區(qū)加熱溫度、冷卻速度等參量，自動控制退火的全過程。無為為操作因素。
該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，提高球化退火質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗。
⑴ 退火質(zhì)量優(yōu)良：應(yīng)用該技術(shù)的退火產(chǎn)品，球化質(zhì)量可穩(wěn)定地獲得2-3級組織。可達(dá)到SKF、FAG等世界上Z大的軸承公司執(zhí)行的歐洲SEP1520有關(guān)退火的標(biāo)準(zhǔn)。為提高軸承的壽命和可靠性打下良好的基礎(chǔ)。
⑵ 提高生產(chǎn)率：退火周期在連續(xù)（推桿式）退火爐中可縮短退火周期1/3-1倍；在臺車式、貫通式周期退火爐可由目前一般36小時(shí)一周期，降至15小時(shí)以內(nèi)。
⑶ 節(jié)能降耗：用電成本大幅度降低，連續(xù)作業(yè)爐由目前的電耗280-480KWh/噸，降至240KWh/噸以下；周期作業(yè)爐由目前的400-600KWh/噸，降至300 KWh/噸以下。
在保證退火質(zhì)量2-3級的前提下，該技術(shù)已在許多企業(yè)應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，獲得顯著效益。
河北軋機(jī)軸承有限公司，由改造前日產(chǎn)量6噸，電耗470KWh/噸；改造后日產(chǎn)量提高到12噸，電耗將至235KWh/噸。
大連龍巖鍛造廠，用540KW臺車式爐處理熱軋軸承鋼球，日產(chǎn)量15噸，耗電300KWh/噸，其中低谷電占總用電量的85%以上，退火成本約130元/噸。
大連冶金軸承股份有限公司連續(xù)四年對三條360KW推桿式退火爐進(jìn)行改造，套圈耗電≤210KWh/噸，年生產(chǎn)能力已達(dá)2.5萬噸；兩條440KW棒料退火爐，日處理Φ20-Φ130棒料20噸，耗電≤270KWh/噸，其中低谷占總用量的90%以上，退火耗電成本＜100元/噸。
山東梁山軸承有限公司比改造前，退火節(jié)能1/3，生產(chǎn)效率提高1/3，不僅如此，由于退火組織細(xì)，淬火溫度降低，保溫時(shí)間縮短，淬火節(jié)能8%。
廣東韶關(guān)東南軸承有限公司生產(chǎn)汽車轂軸承，改造后的退火質(zhì)量達(dá)到FAG執(zhí)行的歐洲SEP1520的標(biāo)準(zhǔn)，成為FAG半成品供應(yīng)商，僅此一項(xiàng)年質(zhì)量效益超過千萬元。
多家企業(yè)長期使用的結(jié)果表明該項(xiàng)技術(shù)成熟可靠。（作者：何加群；中國軸承工業(yè)協(xié)會）