节能热处理技术和设备在轴承行业的应用

来源：中国轴承工业协会 何加群 2010-3-1

    一、轴承行业现状及热处理技术和装备概况
1. 我国轴承行业持续快速稳定的发展
    我国轴承行业经过建国以来五十多年的建设和发展，特别是改革开放以来持续、快速、稳定的发展，已形成了较大的产业规模。2007年全行业生产各类轴承90亿套，实现销售收入760亿元。轴承产量和销售收入居世界第三位。
    我国轴承进出口贸易额逐年攀升。2007年轴承出口创汇21亿美元，进口用汇21亿美元，进出口持平。
    “九五”以来，我国轴承行业经济成分发生了深刻的变化。至2006年，按销售额计算，已形成国有:民营:三资＝16:63:21的格局。
    我国轴承行业技术水平逐步提高，已具有一定的技术实力。有一所（洛轴所）、一院（中机十院）、一校（河南科大）作为依托。全行业现有国家级企业技术中心5个（万向、瓦轴、哈轴、洛轴、西北）、博士后科研工作站5个（万向、龙溪、洛轴所、西北、杭州中心）、国家级实验室6个（洛轴所、杭州中心、上海所、万向、龙溪、瓦轴）。全行业的产品开发能力有很大提高，掌握的轴承品种规格已由1999年的39000种增加到2005年的66000多种。为重大装备和重点主机的配套率达到80%左右。高端产品开发有重大突破。以“神五”、“神六”、“嫦娥一号”配套轴承为代表的航天航空轴承及其他国防装备配套轴承均已立足国内，具有完全自主知识产权。长期制约为国内主机配套和扩大出口的微小型深沟球轴承的振动噪声和密封性能问题，通过中国轴协组织的全行业技术攻关，已取得显著效果，基本上可以满足国内主机配套和扩大出口的要求，部分企业的产品已达到或者接近国际同类产品的水平。
2. 我国轴承热处理技术和装备取得的长足进步
    “六五”、“七五”、“八五”经济建设时期，有二十多家轴承制造企业先后从日本、英国、美国、瑞士、西德、奥地利、意大利等工业发达国家引进设备的使用、消化吸收，其中的主要类型设备在“八五”末期基本实现了国产化，有力地促进了我国轴承热处理装备的技术进步和电炉行业的制造水平。
    推杆式等温球化退火炉在轴承行业得到广泛应用，目前该类型设备是轴承零件退火的主要设备。轴承零件保护气氛退火已开始引起重视，并开始在生产上广泛应用。
    轴承零件淬回火设备主要有网带炉、铸链、辊底炉、多用炉、转底炉、滚筒炉生产线，这些生产线是我国轴承行业热处理设备的主力设备，也代表了我国轴承热处理装备水平，这些装备的推广应用，大大提高了我国轴承零件热处理质量水平，工件淬火后氧化脱碳层由原来的0.06～0.1 mm降到0.03 mm以下，批量硬度差由原来的2HRC降到1.5HRC以下，同件硬度差由原来的1.5HRC降到1HRC以内，压缩磨削留量1/3～1/2，提高磨工效率15%～22％，为我轴承质量总体水平的提高做出了贡献。
    渗碳热处理设备主要有推杆式、辊底式、网带式气体渗碳自动生产线，也有多用炉、真空渗碳炉、井式炉、周期式渗碳炉，渗碳气氛的碳势控制大多采用自动控制系统，也有采用流量控制。
3. 我国轴承热处理技术和装备的发展方向
⑴ 中小型轴承套圈大批量生产热处理装备采用无马弗托辊式可控气氛网带炉生产线、可控气氛铸链炉生产线，取代输送带炉、振底炉、箱式炉等落后炉型。
⑵ 中大型、大型轴承套圈大批量生产热处理装备采用可控气氛辊底炉生产线和多用炉生产线。
⑶ 特大型轴承套圈热处理装备采用可控气氛周期式热处理炉或加装微机碳势控制装置的井式炉。
⑷ 开发可控气氛带硝盐马氏体淬火小辊棒炉和辊底炉生产线。
⑸ 推广应用连续式可控气氛渗碳生产线。
⑹ 开发汽车轮毂轴承高频淬回火自动生产线。
⑺ 轴承滚动体大批量生产热处理装备采用滚筒炉生产线，取代仿苏鼓型炉生产线。
⑻ 开发辊底式氮基保护气氛等温球化退火炉。
⑼ 发展和应用下贝氏体等温淬火工艺装备。
⑽ 研制开发与可控气氛辊底炉、转底炉配套的自动模压淬火机床。
⑾ 加大真空热处理装备的比例。
⑿ 研制开发与网带炉、铸链炉生产线配套的量变型分选机。
二、轴承行业热处理节能措施
    众所周知，轴承热处理是个耗能大户，轴承热处理设备90%以上采用电加热，俗称“电老虎”，其电耗占轴承制造业电耗的25-30%。同时，在热处理工艺过程中不断产生热辐射能、废烟气、粉尘和噪音等，对环境造成一定程度的污染。因此，开发节能、环保型热处理技术和装备是轴承行业亟待解决的问题。
近些年来，我国轴承行业从以下几方面采用措施，提高轴承热处理的节能和环保效果。
1. 优化工艺节能
   经过大量工艺试验，在保证热处理质量得到提高的前提下，对热处理工艺进行优化简化，然后合理设计加热炉各区段长度和加工节拍，充分发挥热效能产生显著的节能效果。这方面最突出的是北京天马轴承有限公司和北京建通盈动工业炉公司共同开发研制的多功能辊底可控气氛热处理生产线。
2. 利用余热节能
    财政部近期发布信息说，中央财政将十大重点节能工程进行奖励。十大节能工程包括“余热余压利用工程”。
轴承钢退火是轴承行业耗能最大的工序之一。多年来，轴承生产企业在降低轴承钢退火能耗上下了不少功夫。轴承钢锻造余热退火曾风行一时。但是，这一节能工艺虽然理论上可行，但实际操作上存在诸多难以解决的问题。最后都以失败告终。
    近年来，一些轴承热处理设备制造优势企业，如杭州金舟电炉有限公司、苏州工业园区胜龙电炉制造有限公司，转而在利用热处理余热上做文章，研发了“热回收型连续等温退火炉”、“双层辊底式保护气氛球化退火炉”，取得了高效节能的效果。
3. 智能控制节能
    河北工业大学材料学院研发的轴承智能退火控制系统，在充分利用企业原有退火炉体的情况下，配置的该系统可根据运行过程中反馈获得的退火炉热特性、温场分布、装炉量等参量，智能化地调节各区加热温度，冷却速度等参量，自动完成退火的全过程，排除了操作上的人为因素，取得了显著的节能效果。
4. 减少热损失节能
    轴承生产企业和轴承热处理制造企业联手，在减少轴承热处理加热过程中的热损失下功夫。
    一是以辊底炉取代推杆（盘）炉，免除了料盘的热损失。（一公斤钢件从室温升800℃，需吸热1.03千卡）。
    二是优化炉膛设计，同时合理选用高强度轻质抗渗碳砖、优质陶瓷纤维制品等保温隔热材料，减少炉衬材料的蓄热损失和炉壁表面的散热损失。
    三是优势热处理制造厂家，如金舟电炉有限公司等，在制造热处理炉构件时，采用大型数控设备加工，提高加工精度，提高传动辊的水平精度，提高炉壳刚性和密封性，减少焊缝，从而减少热损失和气氛损失。
三、轴承节能热处理技术和装备典型案例
1. 多功能辊底可控气氛热处理生产线
    由北京天马轴承有限公司和北京建通盈动工业炉公司共同研制的多功能辊底式可控气氛热处理生产线一种高质量、高效率、节能、环保型，在国内处于领先水平的热处理装备。
    该生产线由辊底式加热炉、升降式淬火硝盐槽、油槽、辊底式清洗炉、烘干机和双层辊底式等温回火炉等主要设备构成。
    通过编程调整工艺参数，在这一条生产线上可以完成四种不同的热处理工艺：普通马氏体淬、回火，马氏体分级淬、回火，贝氏体等温淬火，贝氏体分级淬火等。
    这一生产线是引进消化吸收再创新和集成创新的成果，在以下几方面在国内处于领先水平：在一条生产线上具有四种不同的功能，不仅可以进行通常的普通马氏体淬火而且可以进行马氏体分级淬火和贝氏体分级淬火；以硝盐淬火介质取代油淬火介质；用空气回火炉取代硝盐槽进行贝氏体等温处理；淬火采用计算机控制的升降式机构；整条生产线高度密封、零排放。
    在保证强度、硬度、金相组织和残留奥氏体量达到标准的前提下，贝氏体分级淬火比普通马氏体淬火冲击韧性GCr15提高26.6%，GCr18Mo提高36.8%。轴承在很多应用主机，如轧钢机、风力发电机、铁路客车等，需要承受很大的冲击载荷，因而需要提高的冲击韧性，普通马氏体淬火已不能适应这一要求。这一生产线的研制成功，就为适应高冲击载荷的轴承制造提供了热处理设备。
    这条热处理生产线不仅能保证热处理质量，硬度、金相组织、变形和表面脱贫碳均能达到国家和行业标准要求，并较之以前有很大提高，而且，由于热处理工艺的优化和设备密封性能的提高，节能效果明显。全国轴承行业热处理平均耗电量为730KWh/吨，这条生产线耗电指标达到550KWh/吨。如在全行业推广应用，将产生很大的经济效益。同时由于升降式的入浴方式，大幅度减少淬火变形，因而可以减少加工留量，达到节材的效果。
2. 双层辊底式保护气氛球化退火炉
    众所周知，球化退火工件降温至650℃以下即可出炉空冷，大量退火余热未加利用。为了实现节能降耗的最佳效果，2007年5月，杭州金舟电炉有限公司创新开发了“双层辊底式保护气氛球化退火炉”。根据球化退火工艺的特点，将炉体设计成双层辊底炉，上层进料，分设进料台、余热利用室、加热区段、保温区段、快冷室，下层为出料台、余热利用室、缓冷区段、等温区段、快冷室。上下层的余热利用室为一个贯通室，无隔离，安装一台热循环风机，加强循环换热，利用退火余热预热进炉冷态工件，使工件从室温升温至300～350℃；上下层的快冷室为一个升降通道，内设升降机，使工件从上层转到下层。双导炉的结构保证了余热充分利用的节能退火工艺：进炉→余热利用升温→加热→保温→快冷→等温→缓冷→（余热利用）强冷→出炉。
    余热利用节能双层退火炉，耗电下降150～220KWh／吨钢，与我国轴承行业球化退火耗电240～290KWh／吨钢比较，节电近90KWh／吨钢，节电率达到30%以上。并且退火质量优良：无氧化，脱碳层深度≤0.10mm，钢材利用率提高3%以上，特别适用于冷辗套圈的退火。球化退火显微组织为均匀、细小、弥散、圆整分布的球（粒）状球光体，可稳定地控制在2～2.5级（相当于SKF标准的CG2.1～2.3级）范围内。球化退火后，硬度为185～202HBW，单件硬度差±5HBW，整批硬度散差＜15HBW。
3. 高效能的的热回收型连续等温退火炉
    苏州工业园区胜龙电炉制造有限公司研发的这种电炉有两个炉道，两个炉道平行反向设置。每个炉道依次排列有预热段、加热保温段、快冷段、等温段和冷却段。两个炉道中，一个炉道的预热段与另一个炉道的冷却段之间设置热交换机构，充分利用一个炉道工件冷却放出的热量，作为另一个炉道的预热用，可以使进炉工件加热到400℃以上。
这种炉型融节能型等温退火炉技术与热回收技术为一体，将工件预热作为二次能源开发，具有明显的节能效果。以250KW的SLRTd-250退火炉为例，年产量可达5400吨，年节电80万度，与普通节能型退火炉比较，年节电费用达55～60万元。两年的节电费用就可以回收整台设备投资。
    这种炉型加工质量稳定，轴承零件退火硬度HRB89-92，金相组织2-3级，合格率100%。
4. 油电、气电复合加热技术
⑴ 油电复合加热技术
    上世纪90年代，东南沿海省市缺电少煤，金舟电炉有限公司创新开发了辊底式油电复合加热等温球化退火炉，成功地将先进的工艺技术与热处理设备集成创新，使轴承钢球化退火缩短至8～9小时，而球化退火显微组织达到均匀、细小、弥散、圆整分布的理想目标；先进的燃油技术使烟尘黑度系列达到林格曼1级，完全符合环保要求。
⑵ 气电复合加热技术
    天然气是优质的一次能源，金舟电炉有限公司根据用户具备的条件，将天然气控温加热和电加热控温相结合，研发了气-电复合加热辊底式球化退火炉，实现了温控、电控、过程控制机电一体化，退火质量国内领先，节能水平达到了一个新的高度。
5. 轴承钢智能化退火控制系统
    河北工业大学材料学院充分发挥学校在数学、计算机、电器、材料、软件等多学科的优势，研制开发轴承钢智能化退火控制系统。在充分利用企业原有退火炉体的情况下，配置的该系统可根据运行过程中反馈获得的加热炉热特性、温场分布、装炉量等参量，智能化地调整各区加热温度、冷却速度等参量，自动控制退火的全过程。无为为操作因素。
该系统的特点是，提高球化退火质量、提高生产效率、节能降耗。
⑴ 退火质量优良：应用该技术的退火产品，球化质量可稳定地获得2-3级组织。可达到SKF、FAG等世界上最大的轴承公司执行的欧洲SEP1520有关退火的标准。为提高轴承的寿命和可靠性打下良好的基础。
⑵ 提高生产率：退火周期在连续（推杆式）退火炉中可缩短退火周期1/3-1倍；在台车式、贯通式周期退火炉可由目前一般36小时一周期，降至15小时以内。
⑶ 节能降耗：用电成本大幅度降低，连续作业炉由目前的电耗280-480KWh/吨，降至240KWh/吨以下；周期作业炉由目前的400-600KWh/吨，降至300 KWh/吨以下。
    在保证退火质量2-3级的前提下，该技术已在许多企业应用于大规模工业生产，获得显著效益。
    河北轧机轴承有限公司，由改造前日产量6吨，电耗470KWh/吨；改造后日产量提高到12吨，电耗将至235KWh/吨。
    大连龙岩锻造厂，用540KW台车式炉处理热轧轴承钢球，日产量15吨，耗电300KWh/吨，其中低谷电占总用电量的85%以上，退火成本约130元/吨。
    大连冶金轴承股份有限公司连续四年对三条360KW推杆式退火炉进行改造，套圈耗电≤210KWh/吨，年生产能力已达2.5万吨；两条440KW棒料退火炉，日处理Φ20-Φ130棒料20吨，耗电≤270KWh/吨，其中低谷占总用量的90%以上，退火耗电成本＜100元/吨。
    山东梁山轴承有限公司比改造前，退火节能1/3，生产效率提高1/3，不仅如此，由于退火组织细，淬火温度降低，保温时间缩短，淬火节能8%。
    广东韶关东南轴承有限公司生产汽车毂轴承，改造后的退火质量达到FAG执行的欧洲SEP1520的标准，成为FAG半成品供应商，仅此一项年质量效益超过千万元。
    多家企业长期使用的结果表明该项技术成熟可靠。