ZA303高强韧耐磨合金回转窑托轮瓦研究及应用
前言
回转窑上的托轮瓦是回转窑的关键部件，传统上是铜合金制造的，目前仍有90%以上的水泥企业在使用铜瓦。其主要缺点是容易翻瓦、抱轴、拉丝，不耐磨，寿命短，特别是铜瓦伤轴，维修和更换麻烦；铜瓦造价高昂。随着我国经济的迅速发展，对铜的需求日益增大，铜在我国已成为匮乏的金属材料。2002年我国铜的消费量270万吨，其中进口210万吨；2003年，国内消费铜290万吨，其中电解铜进口120万吨，铜精矿进口247万吨；2004年国内铜的消费将达到310万吨，中国必须进口大量的电解铜及铜精矿才能满足日益强劲的需求。我国的铜资源已经枯竭。可以预见，在不久的将来，铜在我国将成为战略金属。铜瓦的价格持续走高是必然的，价格低的，未必能保证托轮瓦这一关键部件的质量。广大的水泥企业和我国的资源形势迫切要求研究开发铜质托轮瓦的更新换代产品。
其实，上个世纪80年代初，我国的材料科学工作者，就开始在国外著名的锌基合金ZA27基础上研究开发能够替代铜的减摩耐磨材料，并取得了长足的进展。客观的说，我国目前在高强韧耐磨锌合金的研究开发方面，在某些应用领域，已经达到国际先进水平。比如，沈阳宇航金属材料研究所是我国专门从事耐磨材料生产、研究的专业研究所，在锌合金的研究开发方面已有20多年的发展历史，研究开发了拥有全部知识产权的ZA303、ZA303A、ZA303B、ZRH5、AS7等系列耐磨材料。生产的轴瓦、轴套、衬瓦、衬套、密封环、摩擦盘广泛应用于矿山、水泥、冶金、轧钢、锻压、水电、船舶、鼓风机等行业。特别是沈阳宇航金属材料研究所，在国际上率先把高强韧锌基合金ZA303制造成托轮瓦应用水泥的回转窑上，其生产的回转窑托轮瓦以不拉丝、不抱轴、不翻瓦、寿命长、重量轻、易更换的特点而著称，深受用户的欢迎，已经在在全国不少大水泥厂得到应用。随着各大水泥企业对这一新型材料的认识，和ZA303合金托轮瓦影响的日益扩大，将有越来越多的企业采用这一先进的技术，因此对这一产品的性能、相关技术及其应用情况作一介绍是十分必要的。
1、ZA303合金耐磨合金
ZA303合金是沈阳宇航金属材料研究所经过多年的研究和开发研制出来的一种新型高强韧耐磨铸造合金，具有机械性能高，减摩耐磨性能好，熔铸和机加工工艺性能优良，以及无磁性、减震和受撞击无火花等特性，国外称它为白青铜 。由于性能优良， ZA303系列合金目前已用于代替锡青铜、铝青铜、铅青铜制造耐磨零件，已成功应用于水泥、冶金、矿山机械的轴瓦、轴套、丝母、滑板、蜗轮和轴衬等零件。实验室试验和长期的工程实际使用均表明：ZA303合金在滑动摩擦面和承载能力和减摩耐磨性能都优于铜合金，特别在重、中载和中低速滑动摩擦的情况下，ZA303合金的优良特性表现更为突出。ZA303合金的使用寿命超过铜合金，至少是铜产品寿命的2-3倍。ZA303合金产品价格比铜产品降低20-30%。大型重型机械、回转窑托轮等安装、检修过程中更易于更换，大大降低检修成本，节约更换时间。
2、ZA303机械性能和减摩耐摩性
表1. ZA303合金与铜合金的性能
3、ZA303合金使用条件
（i）.温度-40℃≤t≤150℃
（ii）速度:V≤10m/s
（iii）.载荷: [P]≤280kg/㎝2
理论计算和实验特别是大量长期的工程实践表明，在上述工矿条件下，ZA303合金可以代替所有的铜合金耐磨减摩制品。
4、ZA303合金特点
通过长期的工程应用实践，可以将锌合金ZA303的主要特点归纳如下：
4.1 磨擦系数小导、热率较高，使用寿命为锡青铜的2～3倍，适用于中低速重载荷的场合。
4.2 易于加工，精车后表面粗糙度可达1.6。
4.3 铸造性能好，铸件致密，可铸成壁厚2.5mm的铸件。
4.4 ZA303具有高强度、高韧性及良好的低温性能，克服了其他合金的低温脆性。
4.5 重量轻，比铜轻，易于安装。
4.6 成本低，单件比锡青铜降低成本20-30%。
4.7 具有无磁性，无火花性能，在易燃易爆的危险场合安全。
4.8 具有一定的自润滑性能及减震吸音功能。
4.9 具体到回转窑托轮瓦其典型优点是在使用过程中从不发生翻瓦、抱轴、拉丝事故。这一特点是锦西、本溪各大水泥厂在长期的使用过程中总结出来的。
5、ZA303合金在水泥回转窑托轮上的应用
由于ZA303合金机械性能和减摩耐磨性能都优于铜合金，在相同滑动摩擦条件下，其磨损量只有铜合金的四分之一左右，因此特别适合用于生产轴瓦、轴套、衬瓦等。沈阳宇航金属材料研究所从1990年开始生产回转窑托轮瓦，已有10多年历史，铸造工艺和加工工艺不断改进和提高，积累了丰富的经验，目前可生产国内各大水泥设计院（南京、天津、成都、合肥等）设计的各种不同规格的回转窑托轮瓦。不拉丝、不抱轴、不翻瓦是我所生产托轮瓦独有的特点，1990年至今该所生产的水泥回转窑托轮瓦从未发生过烧瓦、断裂、冒烟、起皱、拉丝、抱轴、翻瓦事故，具有优量的自润滑性能，对油质要求不高，即使短暂缺油，也不会对托轮轴有损伤，不会产生拉丝现象，安装加工容易，无需刮研即可达到要求，深受各大水泥厂的欢迎。产品出口韩国、巴基斯坦、越南、多米尼加等国家。长期的工程应用表明，ZA303合金制造托轮瓦在水泥回转窑上的应用是成功的成熟的，可以放心选用。
6、典型应用实例
葛洲坝股份有限公司水泥厂4号窑，原采用其他厂家的托轮瓦，2005年8月份出现翻瓦事故，遂停止使用，而改用沈阳宇航金属材料研究所的产品，目前运转情况良好。因此已经决定在后续的改造工程中继续使用沈阳宇航金属材料研究所的产品。
锦西水泥厂4、5号窑，规格φ3.94m×80m余热锅炉回转窑，每台回转窑有4档支撑，托轮瓦原设计采用ZQAl9-4青铜，1993年技改时采用我所生产的托轮瓦，同年11月份投产，1997年4月中检时，托轮轴瓦磨损量不到1mm，托轮轴颈光亮如新，经鉴定未作任何处理继续使用。该瓦使用了11年。
内蒙古冀东水泥有限公司5000吨窑，托轮瓦原设计采用ZQAl9-4青铜，2006年5月出现抱轴事故，瓦无法取出，无奈连同托轮轴一并运回唐山盾石机械有限公司，重新对轴进行了加工处理，遂改用我所ZA303合金衬瓦产品，至今运转良好，使用ZA303合金衬瓦拖轮轴温与使用铜瓦拖轮轴温降低15度。
山东淄博东华水泥有限公司2号窑，南京院设计，日产5000吨，原使用其它厂家生产的拖轮衬瓦，2008年7月出现高温抱轴事故，2件衬瓦断裂，4件变形。后经多方咨询改用我公司衬瓦，至今运转良好。
内蒙古乌兰水泥3线5000吨窑，2009年2月6日出现铜瓦烧瓦，造成停窑事故，2月9日改用我们衬瓦，至今运转良好。
7、使用ZA303合金托轮瓦的一些企业：
唐山盾石机械制造有限责任公司、 中国中材国际工程股份有限公司唐山技术装备分公司、合肥水泥设计研究院（6000吨）、中天仕名科技集团公司、中天仕名（徐州）重型机械有限责任公司、中天仕名（淄博）重型机械有限责任公司、唐山中材重型机械有限公司 、中材建设有限公司 、朝阳重型机器制造厂、朝阳重型设备有限公司、唐山冠晟设备有限公司 、唐山冀东水泥股份有限公司、中信集团洛阳矿山机械厂 (出口西班牙) 、河北金隆水泥集团有限公司、河北鹿泉曲寨水泥有限公司、株洲水泥机械厂 、株洲新迈克重型机械有限公司 、长沙河田白石建材有限公司 、湖南资江东兴水泥厂、安徽三狮和德水泥股份有限公司 、安徽凤阳水泥厂 、天津重型水泥回转窑(出口多米尼加) 、天津水泥厂、葛洲坝股份有限公司水泥厂 、北京水泥厂 、北京京北达水泥机械设备公司 、北京金隅红树林环保技术有限责任公司 、上海重型机械厂有限公司 、上海沪江机械厂有限公司 、江苏青狮水泥股份有限公司 、华新金猫水泥（苏州）有限公司 、浙江江山虎球水泥有限公司（5000吨）、浙江常山虎水泥有限公司（5000吨）、浙江兰溪三源水泥厂 、新乡市长城矿山机械有限责任公司 、焦作矿山机械厂附件分厂 、内蒙古冀东水泥（5000吨）、内蒙古伊利冀东、内蒙古赤峰远航水泥有限公司 、内蒙古乌兰水泥集团 、内蒙古西水创业股份有限公司西桌子山水泥厂 、甘肃西部水泥、宁夏赛马实业股份有限公司等200多家水泥生产企业。
8、优质ZA303合金托轮瓦的先进制造技术
ZA303合金虽然力学性能高、耐磨，但它也有自身的缺点即铸造性能不好。ZA303合金的凝固温度范围比较宽（375-484℃），在浇注后呈糊状方式凝固，不易补缩，容易形成疏松组织而降低性能。对这个材料一知半解，不完全理解并掌握它的相关知识，没有相当的技术手段和相当的专业技能，要想制造优质的性能可靠的ZA303合金托轮瓦是不大可能的。目前市场上，有类似的托轮瓦出现，发生质量事故，便是很好的证明。据了解，目前国内，只有沈阳宇航金属材料研究所一家企业采用国际上最先进的低压充型铸造技术来制造ZA303合金托轮瓦。其原理如图1所示。依靠计算机精确控制充型压力，使合金液从铸型底部平稳的充型，避免了铸件上一次、二次夹渣缺陷的出现，避免了气孔、夹砂的产生；在凝固过程中，通过计算机实时监测，根据不同的凝固阶段施加不同的补缩压力，保证凝固过程的补缩，使铸件致密。因而，采用低压铸造技术可以得到无缺陷的优质高性能ZA303合金托轮瓦。
图1. 托轮瓦低压铸造原理
9 结论
9.1 铜合金制造的回转窑托轮瓦，容易翻瓦、抱轴、拉丝，而且随着我国铜资源的日益枯竭，价格将越来越昂贵，因此寻找其更新换代产品势在必行；
9.2 质量优良的ZA303合金托轮瓦在使用过程中从不发生翻瓦、抱轴、拉丝事故，价格便宜、使用寿命长，是铜托轮瓦的最佳换代产品，长期的工程应用表明，该技术是成熟的，也是成功的，可以放心选用；
9.3 从材料制造技术的角度看，用锌基合金制造托轮瓦等减摩制品并不是很新的技术，但是完全掌握这一技术的企业，确实不是很多，市场上该类产品质量参次不齐，不合格的产品极大的影响了这一产品的声誉。只有选用合格的优质的ZA303合金托轮瓦才可以保证回转窑的正常使用。
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