??? 摘要:
??? 回轉(zhuǎn)窯上的托輪瓦是關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)上是銅合金制造的，其主要缺點是容易翻瓦、抱軸、拉絲，不耐磨，壽命短，而且造價高昂，隨著我國銅資源的日益枯竭和稀缺，銅瓦的價格持續(xù)走高。廣大的水泥企業(yè)迫切呼喚能夠替代銅瓦而且性能優(yōu)良的產(chǎn)品出現(xiàn)。本文比較詳細的介紹了ZA303高強韌耐磨合金的力學(xué)性能及摩擦學(xué)等其他物理性能，并用目前最先進的成型工藝制造成回轉(zhuǎn)窯托輪瓦。長達15年的工程應(yīng)用實踐表明，ZA303高強韌耐磨合金回轉(zhuǎn)窯托輪瓦在使用過程中，從未發(fā)生過翻瓦、抱軸、拉絲事故，其使用壽命至少是銅瓦的2-3倍，而且價格便宜20-30%，完全可以代替銅瓦，因此獲得了比較廣泛的應(yīng)用。
??? 關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯；托輪瓦；ZA303；銅合金；制造工藝
??? 前言
??? 回轉(zhuǎn)窯上的托輪瓦是回轉(zhuǎn)窯的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)上是銅合金制造的，目前仍有90%以上的水泥企業(yè)在使用銅瓦。其主要缺點是容易翻瓦、抱軸、拉絲，不耐磨，壽命短，特別是銅瓦傷軸，維修和更換麻煩；銅瓦造價高昂。隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對銅的需求日益增大，銅在我國已成為匱乏的金屬材料。2002年我國銅的消費量270萬噸，其中進口210萬噸；2003年，國內(nèi)消費銅290萬噸，其中電解銅進口120萬噸，銅精礦進口247萬噸；2004年國內(nèi)銅的消費將達到310萬噸，中國必須進口大量的電解銅及銅精礦才能滿足日益強勁的需求。我國的銅資源已經(jīng)枯竭。可以預(yù)見，在不久的將來，銅在我國將成為戰(zhàn)略金屬。銅瓦的價格持續(xù)走高是必然的，價格低的，未必能保證托輪瓦這一關(guān)鍵部件的質(zhì)量。廣大的水泥企業(yè)和我國的資源形勢迫切要求研究開發(fā)銅質(zhì)托輪瓦的更新?lián)Q代產(chǎn)品。
??? 其實，上個世紀80年代初，我國的材料科學(xué)工作者，就開始在國外著名的鋅基合金ZA27基礎(chǔ)上研究開發(fā)能夠替代銅的減摩耐磨材料，并取得了長足的進展。客觀的說，我國目前在高強韌耐磨鋅合金的研究開發(fā)方面，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)達到國際先進水平。比如，沈陽宇航金屬材料研究所是我國專門從事耐磨材料生產(chǎn)、研究的專業(yè)研究所，在鋅合金的研究開發(fā)方面已有20多年的發(fā)展歷史，研究開發(fā)了擁有全部知識產(chǎn)權(quán)的ZA303、ZA303A、ZA303B、ZRH5、AS7等系列耐磨材料。生產(chǎn)的軸瓦、軸套、襯瓦、襯套、密封環(huán)、摩擦盤廣泛應(yīng)用于礦山、水泥、冶金、軋鋼、鍛壓、水電、船舶、鼓風(fēng)機等行業(yè)。特別是沈陽宇航金屬材料研究所，在國際上率先把高強韌鋅基合金ZA303制造成托輪瓦應(yīng)用水泥的回轉(zhuǎn)窯上，其生產(chǎn)的回轉(zhuǎn)窯托輪瓦以不拉絲、不抱軸、不翻瓦、壽命長、重量輕、易更換的特點而著稱，深受用戶的歡迎，已經(jīng)在在全國不少大水泥廠得到應(yīng)用。隨著各大水泥企業(yè)對這一新型材料的認識，和ZA303合金托輪瓦影響的日益擴大，將有越來越多的企業(yè)采用這一先進的技術(shù)，因此對這一產(chǎn)品的性能、相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用情況作一介紹是十分必要的。
??? 1、ZA303合金耐磨合金
??? ZA303合金是沈陽宇航金屬材料研究所經(jīng)過多年的研究和開發(fā)研制出來的一種新型高強韌耐磨鑄造合金，具有機械性能高，減摩耐磨性能好，熔鑄和機加工工藝性能優(yōu)良，以及無磁性、減震和受撞擊無火花等特性，國外稱它為白青銅。由于性能優(yōu)良，ZA303系列合金目前已用于代替錫青銅、鋁青銅、鉛青銅制造耐磨零件，已成功應(yīng)用于水泥、冶金、礦山機械的軸瓦、軸套、絲母、滑板、蝸輪和軸襯等零件。實驗室試驗和長期的工程實際使用均表明：ZA303合金在滑動摩擦面和承載能力和減摩耐磨性能都優(yōu)于銅合金，特別在重、中載和中低速滑動摩擦的情況下，ZA303合金的優(yōu)良特性表現(xiàn)更為突出。ZA303合金的使用壽命超過銅合金，至少是銅產(chǎn)品壽命的2-3倍。ZA303合金產(chǎn)品價格比銅產(chǎn)品降低20-30%。大型重型機械、回轉(zhuǎn)窯托輪等安裝、檢修過程中更易于更換，大大降低檢修成本，節(jié)約更換時間。
??? 2、ZA303機械性能和減摩耐摩性
表1.ZA303合金與銅合金的性能
??? ﹡注：磨損試驗條件：用MM200磨損實驗機進行ZA303合金和銅合金摩擦性能對比試驗。分別用兩類合金（30*10圓柱形）試樣與45#碳鋼固定凹型試塊滑動對磨，在負載150Kg、圓柱形試樣200r.p.m轉(zhuǎn)速及有潤滑條件下，經(jīng)過20小時試驗后檢查試樣重量和尺寸磨損，并在跑合穩(wěn)定后測定。
??? 3、ZA303合金使用條件
??? （i）.溫度-40℃≤t≤150℃
??? （ii）速度:V≤10m/s
??? （iii）.載荷:[P]≤280kg/㎝2
??? 理論計算和實驗特別是大量長期的工程實踐表明，在上述工礦條件下，ZA303合金可以代替所有的銅合金耐磨減摩制品。
??? 4、ZA303合金特點
??? 通過長期的工程應(yīng)用實踐，可以將鋅合金ZA303的主要特點歸納如下：
??? 4.1磨擦系數(shù)小導(dǎo)、熱率較高，使用壽命為錫青銅的2～3倍，適用于中低速重載荷的場合。
??? 4.2易于加工，精車后表面粗糙度可達1.6。
??? 4.3鑄造性能好，鑄件致密，可鑄成壁厚2.5mm的鑄件。
??? 4.4ZA303具有高強度、高韌性及良好的低溫性能，克服了其他合金的低溫脆性。
??? 4.5重量輕，比銅輕，易于安裝。
??? 4.6成本低，單件比錫青銅降低成本20-30%。
??? 4.7具有無磁性，無火花性能，在易燃易爆的危險場合安全。
??? 4.8具有一定的自潤滑性能及減震吸音功能。
??? 4.9具體到回轉(zhuǎn)窯托輪瓦其典型優(yōu)點是在使用過程中從不發(fā)生翻瓦、抱軸、拉絲事故。這一特點是錦西、
??? 本溪各大水泥廠在長期的使用過程中總結(jié)出來的。
??? 5、ZA303合金在水泥回轉(zhuǎn)窯托輪上的應(yīng)用
由于ZA303合金機械性能和減摩耐磨性能都優(yōu)于銅合金，在相同滑動摩擦條件下，其磨損量只有銅合金的四分之一左右，因此特別適合用于生產(chǎn)軸瓦、軸套、襯瓦等。沈陽宇航金屬材料研究所從1990年開始生產(chǎn)回轉(zhuǎn)窯托輪瓦，已有10多年歷史，鑄造工藝和加工工藝不斷改進和提高，積累了豐富的經(jīng)驗，目前可生產(chǎn)國內(nèi)各大水泥設(shè)計院（南京、天津、成都、合肥等）設(shè)計的各種不同規(guī)格的回轉(zhuǎn)窯托輪瓦。不拉絲、不抱軸、不翻瓦是我所生產(chǎn)托輪瓦獨有的特點，1990年至今該所生產(chǎn)的水泥回轉(zhuǎn)窯托輪瓦從未發(fā)生過燒瓦、斷裂、冒煙、起皺、拉絲、抱軸、翻瓦事故，具有優(yōu)量的自潤滑性能，對油質(zhì)要求不高，即使短暫缺油，也不會對托輪軸有損傷，不會產(chǎn)生拉絲現(xiàn)象，安裝加工容易，無需刮研即可達到要求，深受各大水泥廠的歡迎。產(chǎn)品出口韓國、巴基斯坦、越南、多米尼加等國家。長期的工程應(yīng)用表明，ZA303合金制造托輪瓦在水泥回轉(zhuǎn)窯上的應(yīng)用是成功的成熟的，可以放心選用。
??? 6、典型應(yīng)用實例
??? 葛洲壩股份有限公司水泥廠4號窯，原采用其他廠家的托輪瓦，2005年8月份出現(xiàn)翻瓦事故，遂停止使用，而改用沈陽宇航金屬材料研究所的產(chǎn)品，目前運轉(zhuǎn)情況良好。因此已經(jīng)決定在后續(xù)的改造工程中繼續(xù)使用沈陽宇航金屬材料研究所的產(chǎn)品。
??? 錦西水泥廠4、5號窯，規(guī)格φ3.94m×80m余熱鍋爐回轉(zhuǎn)窯，每臺回轉(zhuǎn)窯有4檔支撐，托輪瓦原設(shè)計采用ZQAl9-4青銅，1993年技改時采用我所生產(chǎn)的托輪瓦，同年11月份投產(chǎn)，1997年4月中檢時，托輪軸瓦磨損量不到1mm，托輪軸頸光亮如新，經(jīng)鑒定未作任何處理繼續(xù)使用。該瓦使用了11年。
內(nèi)蒙古冀東水泥有限公司5000噸窯，托輪瓦原設(shè)計采用ZQAl9-4青銅，2006年5月出現(xiàn)抱軸事故，瓦無法取出，無奈連同托輪軸一并運回唐山盾石機械有限公司，重新對軸進行了加工處理，遂改用我所ZA303合金襯瓦產(chǎn)品，至今運轉(zhuǎn)良好，使用ZA303合金襯瓦拖輪軸溫與使用銅瓦拖輪軸溫降低15度。
山東淄博東華水泥有限公司2號窯，南京院設(shè)計，日產(chǎn)5000噸，原使用其它廠家生產(chǎn)的拖輪襯瓦，2008年7月出現(xiàn)高溫抱軸事故，2件襯瓦斷裂，4件變形。后經(jīng)多方咨詢改用我公司襯瓦，至今運轉(zhuǎn)良好。
??? 內(nèi)蒙古烏蘭水泥3線5000噸窯，2009年2月6日出現(xiàn)銅瓦燒瓦，造成停窯事故，2月9日改用我們襯瓦，至今運轉(zhuǎn)良好。
??? 7、使用ZA303合金托輪瓦的一些企業(yè)
??? 唐山盾石機械制造有限責(zé)任公司、中國中材國際工程股份有限公司唐山技術(shù)裝備分公司、合肥水泥設(shè)計研究院（6000噸）、中天仕名科技集團公司、中天仕名（徐州）重型機械有限責(zé)任公司、中天仕名（淄博）重型機械有限責(zé)任公司、唐山中材重型機械有限公司、中材建設(shè)有限公司、朝陽重型機器制造廠、朝陽重型設(shè)備有限公司、唐山冠晟設(shè)備有限公司、唐山冀東水泥股份有限公司、中信集團洛陽礦山機械廠(出口西班牙)、河北金隆水泥集團有限公司、河北鹿泉曲寨水泥有限公司、株洲水泥機械廠、株洲新邁克重型機械有限公司、長沙河田白石建材有限公司、湖南資江東興水泥廠、安徽三獅和德水泥股份有限公司、安徽鳳陽水泥廠、天津重型水泥回轉(zhuǎn)窯(出口多米尼加)、天津水泥廠、葛洲壩股份有限公司水泥廠、北京水泥廠、北京京北達水泥機械設(shè)備公司、北京金隅紅樹林環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司、上海重型機械廠有限公司、上海滬江機械廠有限公司、江蘇青獅水泥股份有限公司、華新金貓水泥（蘇州）有限公司、浙江江山虎球水泥有限公司（5000噸）、浙江常山虎水泥有限公司（5000噸）、浙江蘭溪三源水泥廠、新鄉(xiāng)市長城礦山機械有限責(zé)任公司、焦作礦山機械廠附件分廠、內(nèi)蒙古冀東水泥（5000噸）、內(nèi)蒙古伊利冀東、內(nèi)蒙古赤峰遠航水泥有限公司、內(nèi)蒙古烏蘭水泥集團、內(nèi)蒙古西水創(chuàng)業(yè)股份有限公司西桌子山水泥廠、甘肅西部水泥、寧夏賽馬實業(yè)股份有限公司等200多家水泥生產(chǎn)企業(yè)。
??? 8、優(yōu)質(zhì)ZA303合金托輪瓦的先進制造技術(shù)
??? ZA303合金雖然力學(xué)性能高、耐磨，但它也有自身的缺點即鑄造性能不好。ZA303合金的凝固溫度范圍比較寬（375-484℃），在澆注后呈糊狀方式凝固，不易補縮，容易形成疏松組織而降低性能。對這個材料一知半解，不完全理解并掌握它的相關(guān)知識，沒有相當?shù)募夹g(shù)手段和相當?shù)膶I(yè)技能，要想制造優(yōu)質(zhì)的性能可靠的ZA303合金托輪瓦是不大可能的。目前市場上，有類似的托輪瓦出現(xiàn)，發(fā)生質(zhì)量事故，便是很好的證明。據(jù)了解，目前國內(nèi)，只有沈陽宇航金屬材料研究所一家企業(yè)采用國際上最先進的低壓充型鑄造技術(shù)來制造ZA303合金托輪瓦。其原理如圖1所示。依靠計算機精確控制充型壓力，使合金液從鑄型底部平穩(wěn)的充型，避免了鑄件上一次、二次夾渣缺陷的出現(xiàn)，避免了氣孔、夾砂的產(chǎn)生；在凝固過程中，通過計算機實時監(jiān)測，根據(jù)不同的凝固階段施加不同的補縮壓力，保證凝固過程的補縮，使鑄件致密。因而，采用低壓鑄造技術(shù)可以得到無缺陷的優(yōu)質(zhì)高性能ZA303合金托輪瓦。
圖1.托輪瓦低壓鑄造原理
??? 9、結(jié)論
??? 9.1銅合金制造的回轉(zhuǎn)窯托輪瓦，容易翻瓦、抱軸、拉絲，而且隨著我國銅資源的日益枯竭，價格將越來越昂貴，因此尋找其更新?lián)Q代產(chǎn)品勢在必行；
??? 9.2質(zhì)量優(yōu)良的ZA303合金托輪瓦在使用過程中從不發(fā)生翻瓦、抱軸、拉絲事故，價格便宜、使用壽命長，是銅托輪瓦的最佳換代產(chǎn)品，長期的工程應(yīng)用表明，該技術(shù)是成熟的，也是成功的，可以放心選用；
??? 9.3從材料制造技術(shù)的角度看，用鋅基合金制造托輪瓦等減摩制品并不是很新的技術(shù)，但是完全掌握這一技術(shù)的企業(yè)，確實不是很多，市場上該類產(chǎn)品質(zhì)量參次不齊，不合格的產(chǎn)品極大的影響了這一產(chǎn)品的聲譽。只有選用合格的優(yōu)質(zhì)的ZA303合金托輪瓦才可以保證回轉(zhuǎn)窯的正常使用。
??? 作者：李德成博士
??? 來源：沈陽宇航金屬材料研究所