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国际钼协会
船舶的心脏--钼钢发动机

       摘要:每天运往全球各地的原材料、燃料、食品和制成品的数量巨大,唯一比较经济的运输途径是海运。运输成本问题十分重要,因此船舶的尺寸越来越大,燃油效率也越来越高。船用柴油发动机是船舶的心脏,而钼是发动机材料的重要合金元素,为柴油机提供优异的性能和长寿命。
       

       大型集装箱船和散货船是全球货运系统的支柱。世界各地的日常货运包括矿产、石油、谷物、工业品和消费品等等。这些货物的目的地通常远离生产地,例如,散装货船可一次将数十万吨的铁矿石运到目的地。在许多情况下,这样的散货船沿固定的路线上来回航行,因为船的尺寸需要对港口环境进行特殊的调整。很多货物都是先用大型集装箱船运到周转中心,再经过复杂的运输路线运到最终目的地。从1960年代后期的第一代集装箱船到现在的第七代,船的长度和宽度都翻了近一倍。为了保持至少25节的巡航速度(快速交货所必需的),需要非常强大的船用发动机。

©Maersk 



船舶推进系统–发动机像房子一样大

       商用船舶的推进系统主要采用两种不同的技术。用中速柴油发动机驱动发电机发电,再通过电动机驱动螺旋桨,这种技术主要适用于较小的船舶和邮轮。但是,巨大的集装箱船和散货船一般由低速柴油机提供动力。在这种情况下,螺旋桨通过驱动轴直接连接到发动机而无需离合器和变速器。最大的二冲程柴油机的尺寸如同一座房子的大小,高度可达15米、长度可达28米,重量超过2000吨 (相当于约1000辆汽车),功率输出达到10万马力以上。这些发动机的转速范围为每分钟60-200转,因此被称为低速柴油机。世界上大型低速柴油机的两大设计和制造巨头是曼恩 (MAN) B&W 柴油机公司和瓦锡兰(Wärtsilä)公司。由于船用发动机的成本占船舶建造总成本的近10%,因此船舶运营商希望集装箱船只配备一个发动机和一个螺旋桨,以保持合理的投资成本。

       这种大型发动机为大型集装箱船提供动力,例如350米长的“中远广州”号。这种12缸发动机在欧洲设计,在韩国、中国和日本制造,靠近全球主要的造船厂。发动机尺寸太大,无法运输,因此必须直接在船上组装。另一个长度达397米的集装箱船巨头是“爱玛·马士基”。该船于2006年9月投入运营,是当时世界上最大的集装箱船,现已有7艘相同的姊妹船加入其中。其动力装置是14缸发动机。两个额外的气缸确保巨大的集装箱船能够维持26节的巡航速度。这艘巨轮的发动机排量相当于14,000辆中型汽车发动机的排量。

       货物运输竞争力的关键是船舶的运营成本。大型二冲程柴油机通常使用廉价的低品味重质燃料油,也称为“邦克C”燃油。原油重质馏分的粘度类似于沥青,在环境温度下燃料回路中使用就像用吸管吸口香糖一样。因此,必须先将燃油加热到150°C左右的温度,以降低其粘度,然后再通过燃料管将其喷射到发动机的气缸中,二次利用废气的热量来实现。实际上,二冲程柴油机是所有内燃机中最经济的,其效率远高于50%。相比之下,现代汽车发动机的效率仅为30%到40%。

      为了降低运营成本,必须尽可能多地增加船舶的使用。在航运界,时间就是金钱,这意味着必须最大程度地减少船舶维护停靠的时间。因此,大型发动机部件的可靠性至关重要。一旦在船上组装好发动机,部件就无法更换,因为它们的尺寸很大,维修工作既复杂又费时。船舶每年运行时间约为8,000小时(一年为8760小时),预计使用寿命为30至40年,因此可靠性方面的挑战非常艰巨。所以,对船用发动机所使用的钢铁合金材料的性能要求很高。世界上只有少数高度专业化的锻造和铸造厂能够满足这些性能要求。

船用柴油机像房子一样大,重量超过2000吨@Wärtsilä


船用曲轴钼钢造

      就像自行车的脚踏板带动车轮旋转,曲轴的基本作用是将柴油机气缸内燃料燃烧的爆炸能所推动的活塞直线往复运动转换为螺旋桨的旋转运动。中小型曲轴可作为单个部件制造,而大型曲轴是由几个部件组装的,所有部件都单独制造,然后进行组装和加工。乍一看,曲轴似乎只是普通的机械部件,但实际上它的生产并不容易。要生产高质量的曲轴必须克服许多障碍。目前所生产的最大的曲轴长27米,重达400吨。这些巨大的钢制曲轴以每分钟100转以上的速度旋转,驱动着直径达9米,重达130吨的螺旋桨,使船舶以巡航速度行进,这意味着曲轴必须经过高精度的加工并且必须非常坚固。曲轴在超大型车床上被精确加工成最终的形状。从合金铸造到最终机加工需要长达6个月的时间。大型船用曲轴不仅尺寸大小相当于一座房子,而且价格也与家庭住房相当。


新船上正在组装的大型柴油机曲轴箱中的曲轴 @MAN Diesel&Turbo

       曲轴部件的强度取决于合金成分、制造工艺如锻造和铸造以及后续的热处理。钼始终是此类合金的关键元素,为材料同时提供高强度和良好的韧性。它通过较好地控制合金的淬透性和微观结构来做到这一点。与其他合金元素如镍、铬和锰相比,钼的使用量少,却非常有效(见表1)。


表1 锻造曲轴部件用合金钢的典型成分(重量%)


       小型船用柴油机的曲轴可整体成型制造。将钢锭锻造成长圆棒,然后在车床上进行加工。在第二次锻造过程中,棒料被部分加热,然后在特定模具中依次形成未来成为曲柄销和曲柄臂的三个部分。仅用两分钟就锻造一个曲柄臂。


在最后的组装和机加工之后对大型曲轴进行检查@Kobe Steel

       较大的曲轴采用预紧装配由单独制造的曲柄臂、轴颈和曲柄销部件组装而成。铸钢曲柄臂的制造速度比锻钢的更快,少数供应商为了尽力满足市场对船舶发动机的高需求,会考虑这一重要因素。但是,由于机械性能不足,尚未在某些类型的发动机中使用3级和4级铸造曲柄臂(表2)。


表2 不同铸造等级曲柄臂的合金成分(重量%)


       日本开发的更高等级的“5级”合金克服了这些局限性,因为钼含量的增加,其强度大大高于锻钢曲柄臂的强度。最大的船用曲轴大约含有一吨的钼。

钼的应用