ZA303高強(qiáng)韌耐磨合金回轉(zhuǎn)窯托輪瓦研究及應(yīng)用
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(diǎn)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(jià)高昂。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,對(duì)銅的需求日益增大,銅在我國(guó)已成為匱乏的金屬材料。2002年我國(guó)銅的消費(fèi)量270萬(wàn)噸,其中進(jìn)口210萬(wàn)噸;2003年,國(guó)內(nèi)消費(fèi)銅290萬(wàn)噸,其中電解銅進(jìn)口120萬(wàn)噸,銅精礦進(jìn)口247萬(wàn)噸;2004年國(guó)內(nèi)銅的消費(fèi)將達(dá)到310萬(wàn)噸,中國(guó)必須進(jìn)口大量的電解銅及銅精礦才能滿(mǎn)足日益強(qiáng)勁的需求。我國(guó)的銅資源已經(jīng)枯竭??梢灶A(yù)見(jiàn),在不久的將來(lái),銅在我國(guó)將成為戰(zhàn)略金屬。銅瓦的價(jià)格持續(xù)走高是必然的,價(jià)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(guó)的資源形勢(shì)迫切要求研究開(kāi)發(fā)銅質(zhì)托輪瓦的更新?lián)Q代產(chǎn)品。
其實(shí),上個(gè)世紀(jì)80年代初,我國(guó)的材料科學(xué)工作者,就開(kāi)始在國(guó)外著名的鋅基合金ZA27基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)能夠替代銅的減摩耐磨材料,并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展??陀^的說(shuō),我國(guó)目前在高強(qiáng)韌耐磨鋅合金的研究開(kāi)發(fā)方面,在某些應(yīng)用領(lǐng)域,已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。比如,沈陽(yáng)宇航金屬材料研究所是我國(guó)專(zhuān)門(mén)從事耐磨材料生產(chǎn)、研究的專(zhuān)業(yè)研究所,在鋅合金的研究開(kāi)發(fā)方面已有20多年的發(fā)展歷史,研究開(kāi)發(fā)了擁有全部知識(shí)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(pán)廣泛應(yīng)用于礦山、水泥、冶金、軋鋼、鍛壓、水電、船舶、鼓風(fēng)機(jī)等行業(yè)。特別是沈陽(yáng)宇航金屬材料研究所,在國(guó)際上率先把高強(qiáng)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(zhǎng)、重量輕、易更換的特點(diǎn)而著稱(chēng),深受用戶(hù)的歡迎,已經(jīng)在在全國(guó)不少大水泥廠得到應(yīng)用。隨著各大水泥企業(yè)對(duì)這一新型材料的認(rèn)識(shí),和ZA303合金托輪瓦影響的日益擴(kuò)大,將有越來(lái)越多的企業(yè)采用這一先進(jìn)的技術(shù),因此對(duì)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(yáng)宇航金屬材料研究所經(jīng)過(guò)多年的研究和開(kāi)發(fā)研制出來(lái)的一種新型高強(qiáng)韌耐磨鑄造合金,具有機(jī)械性能高,減摩耐磨性能好,熔鑄和機(jī)加工工藝性能優(yōu)良,以及無(wú)磁性、減震和受撞擊無(wú)火花等特性,國(guó)外稱(chēng)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(jī)械的軸瓦、軸套、絲母、滑板、蝸輪和軸襯等零件。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和長(zhǎng)期的工程實(shí)際使用均表明:ZA303合金在滑動(dòng)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(dòng)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(guò)銅合金,至少是銅產(chǎn)品壽命的2-3倍。ZA303合金產(chǎn)品價(jià)格比銅產(chǎn)品降低20-30%。大型重型機(jī)械、回轉(zhuǎn)窯托輪等安裝、檢修過(guò)程中更易于更換,大大降低檢修成本,節(jié)約更換時(shí)間。
2、ZA303機(jī)械性能和減摩耐摩性
表1. ZA303合金與銅合金的性能
3、ZA303合金使用條件
?。╥).溫度-40℃≤t≤150℃
?。╥i)速度:V≤10m/s
(iii).載荷: [P]≤280kg/㎝2
理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)特別是大量長(zhǎng)期的工程實(shí)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(diǎn)
通過(guò)長(zhǎng)期的工程應(yīng)用實(shí)踐,可以將鋅合金ZA303的主要特點(diǎn)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(chǎng)合。
4.2 易于加工,精車(chē)后表面粗糙度可達(dá)1.6。
4.3 鑄造性能好,鑄件致密,可鑄成壁厚2.5mm的鑄件。
4.4 ZA303具有高強(qiáng)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(wú)磁性,無(wú)火花性能,在易燃易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)合安全。
4.8 具有一定的自潤(rùn)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(diǎn)是在使用過(guò)程中從不發(fā)生翻瓦、抱軸、拉絲事故。這一特點(diǎn)是錦西、本溪各大水泥廠在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中總結(jié)出來(lái)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(jī)械性能和減摩耐磨性能都優(yōu)于銅合金,在相同滑動(dòng)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(yáng)宇航金屬材料研究所從1990年開(kāi)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(jìn)和提高,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),目前可生產(chǎn)國(guó)內(nèi)各大水泥設(shè)計(jì)院(南京、天津、成都、合肥等)設(shè)計(jì)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(dú)有的特點(diǎn),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(guò)燒瓦、斷裂、冒煙、起皺、拉絲、抱軸、翻瓦事故,具有優(yōu)量的自潤(rùn)滑性能,對(duì)油質(zhì)要求不高,即使短暫缺油,也不會(huì)對(duì)托輪軸有損傷,不會(huì)產(chǎn)生拉絲現(xiàn)象,安裝加工容易,無(wú)需刮研即可達(dá)到要求,深受各大水泥廠的歡迎。產(chǎn)品出口韓國(guó)、巴基斯坦、越南、多米尼加等國(guó)家。長(zhǎng)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(shí)例
葛洲壩股份有限公司水泥廠4號(hào)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(yáng)宇航金屬材料研究所的產(chǎn)品,目前運(yùn)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(yáng)宇航金屬材料研究所的產(chǎn)品。
錦西水泥廠4、5號(hào)窯,規(guī)格φ3.94m×80m余熱鍋爐回轉(zhuǎn)窯,每臺(tái)回轉(zhuǎn)窯有4檔支撐,托輪瓦原設(shè)計(jì)采用ZQAl9-4青銅,1993年技改時(shí)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(shí),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(jì)采用ZQAl9-4青銅,2006年5月出現(xiàn)抱軸事故,瓦無(wú)法取出,無(wú)奈連同托輪軸一并運(yùn)回唐山盾石機(jī)械有限公司,重新對(duì)軸進(jìn)行了加工處理,遂改用我所ZA303合金襯瓦產(chǎn)品,至今運(yùn)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(hào)窯,南京院設(shè)計(jì),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(xún)改用我公司襯瓦,至今運(yùn)轉(zhuǎn)良好。
內(nèi)蒙古烏蘭水泥3線(xiàn)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(yùn)轉(zhuǎn)良好。
7、使用ZA303合金托輪瓦的一些企業(yè):
唐山盾石機(jī)械制造有限責(zé)任公司、 中國(guó)中材國(guó)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(jì)研究院(6000噸)、中天仕名科技集團(tuán)公司、中天仕名(徐州)重型機(jī)械有限責(zé)任公司、中天仕名(淄博)重型機(jī)械有限責(zé)任公司、唐山中材重型機(jī)械有限公司 、中材建設(shè)有限公司 、朝陽(yáng)重型機(jī)器制造廠、朝陽(yáng)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(tuán)洛陽(yáng)礦山機(jī)械廠 (出口西班牙) 、河北金隆水泥集團(tuán)有限公司、河北鹿泉曲寨水泥有限公司、株洲水泥機(jī)械廠 、株洲新邁克重型機(jī)械有限公司 、長(zhǎng)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(yáng)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(dá)水泥機(jī)械設(shè)備公司 、北京金隅紅樹(shù)林環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司 、上海重型機(jī)械廠有限公司 、上海滬江機(jī)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(zhǎng)城礦山機(jī)械有限責(zé)任公司 、焦作礦山機(jī)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(yuǎn)航水泥有限公司 、內(nèi)蒙古烏蘭水泥集團(tuán) 、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(shí)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(jìn)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(diǎn)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(bǔ)縮,容易形成疏松組織而降低性能。對(duì)這個(gè)材料一知半解,不完全理解并掌握它的相關(guān)知識(shí),沒(méi)有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段和相當(dāng)?shù)膶?zhuān)業(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(chǎng)上,有類(lèi)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(guó)內(nèi),只有沈陽(yáng)宇航金屬材料研究所一家企業(yè)采用國(guó)際上最先進(jìn)的低壓充型鑄造技術(shù)來(lái)制造ZA303合金托輪瓦。其原理如圖1所示。依靠計(jì)算機(jī)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(guò)程中,通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),根據(jù)不同的凝固階段施加不同的補(bǔ)縮壓力,保證凝固過(guò)程的補(bǔ)縮,使鑄件致密。因而,采用低壓鑄造技術(shù)可以得到無(wú)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(guó)銅資源的日益枯竭,價(jià)格將越來(lái)越昂貴,因此尋找其更新?lián)Q代產(chǎn)品勢(shì)在必行;
9.2 質(zhì)量?jī)?yōu)良的ZA303合金托輪瓦在使用過(guò)程中從不發(fā)生翻瓦、抱軸、拉絲事故,價(jià)格便宜、使用壽命長(zhǎng),是銅托輪瓦的最佳換代產(chǎn)品,長(zhǎng)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(shí)不是很多,市場(chǎng)上該類(lèi)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(yù)。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。
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