??? 摘要:
??? 回轉窯上的托輪瓦是關鍵部件，傳統上是銅合金制造的，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，銅瓦的價格持續走高。廣大的水泥企業迫切呼喚能夠替代銅瓦而且性能優良的產品出現。本文比較詳細的介紹了ZA303高強韌耐磨合金的力學性能及摩擦學等其他物理性能，并用目前最先進的成型工藝制造成回轉窯托輪瓦。長達15年的工程應用實踐表明，ZA303高強韌耐磨合金回轉窯托輪瓦在使用過程中，從未發生過翻瓦、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用。
??? 關鍵詞：回轉窯；托輪瓦；ZA303；銅合金；制造工藝
??? 前言
??? 回轉窯上的托輪瓦是回轉窯的關鍵部件，傳統上是銅合金制造的，目前仍有90%以上的水泥企業在使用銅瓦。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。隨著我國經濟的迅速發展，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。我國的銅資源已經枯竭?？梢灶A見，在不久的將來，銅在我國將成為戰略金屬。銅瓦的價格持續走高是必然的，價格低的，未必能保證托輪瓦這一關鍵部件的質量。廣大的水泥企業和我國的資源形勢迫切要求研究開發銅質托輪瓦的更新換代產品。
??? 其實，上個世紀80年代初，我國的材料科學工作者，就開始在國外著名的鋅基合金ZA27基礎上研究開發能夠替代銅的減摩耐磨材料，并取得了長足的進展?？陀^的說，我國目前在高強韌耐磨鋅合金的研究開發方面，在某些應用領域，已經達到國際先進水平。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、研究的專業研究所，在鋅合金的研究開發方面已有20多年的發展歷史，研究開發了擁有全部知識產權的ZA303、ZA303A、ZA303B、ZRH5、AS7等系列耐磨材料。生產的軸瓦、軸套、襯瓦、襯套、密封環、摩擦盤廣泛應用于礦山、水泥、冶金、軋鋼、鍛壓、水電、船舶、鼓風機等行業。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制造成托輪瓦應用水泥的回轉窯上，其生產的回轉窯托輪瓦以不拉絲、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，已經在在全國不少大水泥廠得到應用。隨著各大水泥企業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采用這一先進的技術，因此對這一產品的性能、相關技術及其應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過多年的研究和開發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合金的優良特性表現更為突出。ZA303合金的使用壽命超過銅合金，至少是銅產品壽命的2-3倍。ZA303合金產品價格比銅產品降低20-30%。大型重型機械、回轉窯托輪等安裝、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轉速及有潤滑條件下，經過20小時試驗后檢查試樣重量和尺寸磨損，并在跑合穩定后測定。
??? 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磨擦系數小導、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具體到回轉窯托輪瓦其典型優點是在使用過程中從不發生翻瓦、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出來的。
??? 5、ZA303合金在水泥回轉窯托輪上的應用
由于ZA303合金機械性能和減摩耐磨性能都優于銅合金，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年開始生產回轉窯托輪瓦，已有10多年歷史，鑄造工藝和加工工藝不斷改進和提高，積累了豐富的經驗，目前可生產國內各大水泥設計院（南京、天津、成都、合肥等）設計的各種不同規格的回轉窯托輪瓦。不拉絲、不抱軸、不翻瓦是我所生產托輪瓦獨有的特點，1990年至今該所生產的水泥回轉窯托輪瓦從未發生過燒瓦、斷裂、冒煙、起皺、拉絲、抱軸、翻瓦事故，具有優量的自潤滑性能，對油質要求不高，即使短暫缺油，也不會對托輪軸有損傷，不會產生拉絲現象，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。產品出口韓國、巴基斯坦、越南、多米尼加等國家。長期的工程應用表明，ZA303合金制造托輪瓦在水泥回轉窯上的應用是成功的成熟的，可以放心選用。
??? 6、典型應用實例
??? 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品，目前運轉情況良好。因此已經決定在后續的改造工程中繼續使用沈陽宇航金屬材料研究所的產品。
??? 錦西水泥廠4、5號窯，規格φ3.94m×80m余熱鍋爐回轉窯，每臺回轉窯有4檔支撐，托輪瓦原設計采用ZQAl9-4青銅，1993年技改時采用我所生產的托輪瓦，同年11月份投產，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，經鑒定未作任何處理繼續使用。該瓦使用了11年。
內蒙古冀東水泥有限公司5000噸窯，托輪瓦原設計采用ZQAl9-4青銅，2006年5月出現抱軸事故，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合金襯瓦產品，至今運轉良好，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，南京院設計，日產5000噸，原使用其它廠家生產的拖輪襯瓦，2008年7月出現高溫抱軸事故，2件襯瓦斷裂，4件變形。后經多方咨詢改用我公司襯瓦，至今運轉良好。
??? 內蒙古烏蘭水泥3線5000噸窯，2009年2月6日出現銅瓦燒瓦，造成停窯事故，2月9日改用我們襯瓦，至今運轉良好。
??? 7、使用ZA303合金托輪瓦的一些企業
??? 唐山盾石機械制造有限責任公司、中國中材國際工程股份有限公司唐山技術裝備分公司、合肥水泥設計研究院（6000噸）、中天仕名科技集團公司、中天仕名（徐州）重型機械有限責任公司、中天仕名（淄博）重型機械有限責任公司、唐山中材重型機械有限公司、中材建設有限公司、朝陽重型機器制造廠、朝陽重型設備有限公司、唐山冠晟設備有限公司、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備公司、北京金隅紅樹林環保技術有限責任公司、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、新鄉市長城礦山機械有限責任公司、焦作礦山機械廠附件分廠、內蒙古冀東水泥（5000噸）、內蒙古伊利冀東、內蒙古赤峰遠航水泥有限公司、內蒙古烏蘭水泥集團、內蒙古西水創業股份有限公司西桌子山水泥廠、甘肅西部水泥、寧夏賽馬實業股份有限公司等200多家水泥生產企業。
??? 8、優質ZA303合金托輪瓦的先進制造技術
??? ZA303合金雖然力學性能高、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知識，沒有相當的技術手段和相當的專業技能，要想制造優質的性能可靠的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，發生質量事故，便是很好的證明。據了解，目前國內，只有沈陽宇航金屬材料研究所一家企業采用國際上最先進的低壓充型鑄造技術來制造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的充型，避免了鑄件上一次、二次夾渣缺陷的出現，避免了氣孔、夾砂的產生；在凝固過程中，通過計算機實時監測，根據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，采用低壓鑄造技術可以得到無缺陷的優質高性能ZA303合金托輪瓦。
圖1.托輪瓦低壓鑄造原理
??? 9、結論
??? 9.1銅合金制造的回轉窯托輪瓦，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，因此尋找其更新換代產品勢在必行；
??? 9.2質量優良的ZA303合金托輪瓦在使用過程中從不發生翻瓦、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品，長期的工程應用表明，該技術是成熟的，也是成功的，可以放心選用；
??? 9.3從材料制造技術的角度看，用鋅基合金制造托輪瓦等減摩制品并不是很新的技術，但是完全掌握這一技術的企業，確實不是很多，市場上該類產品質量參次不齊，不合格的產品極大的影響了這一產品的聲譽。只有選用合格的優質的ZA303合金托輪瓦才可以保證回轉窯的正常使用。
??? 作者：李德成博士
??? 來源：沈陽宇航金屬材料研究所