鋯心的性狀設(shè)計(jì)

筆者在本月（202303）初寫了幾篇關(guān)于中間包快換水口的科普性文章，準(zhǔn)確的說是經(jīng)驗(yàn)筆記。目的是通過個(gè)人經(jīng)驗(yàn)分享，為廣大中間包從業(yè)者提供切實(shí)有效的經(jīng)驗(yàn)參考，避免走彎路。殷切希望能夠和各路同仁一同為鋼鐵行業(yè)的低碳發(fā)展和高效發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

當(dāng)筆者看到中間包市場(chǎng)種種亂象，內(nèi)心五味雜陳。一方面承包價(jià)格逐年走低，耐火材料供應(yīng)商和承包商利潤(rùn)微薄難以為繼；另一方面鋼鐵企業(yè)也面臨節(jié)能降耗和產(chǎn)品升級(jí)的重重壓力。如果中間壽命能夠穩(wěn)定提高，可以同時(shí)解決上述雙方的痛點(diǎn)。于是乎經(jīng)驗(yàn)筆記的分享行動(dòng)成行。

五篇文章發(fā)出后，效果喜人。許多讀者發(fā)來反饋：有的就文章內(nèi)容提出疑議，有的討論連鑄現(xiàn)場(chǎng)水口出現(xiàn)的異常下線情況，也有的就某個(gè)特定的中間包現(xiàn)場(chǎng)條件尋求技改方案。特別地，有同仁問到鋯心孔徑與結(jié)構(gòu)對(duì)其使用性能的影響，所以筆者今天準(zhǔn)備寫一篇關(guān)于鋯心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的文章，以饗讀者。感興趣的可以私信索取完整設(shè)計(jì)方案。

在討論鋯心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，為保證文章的完整性（單篇文章信息的全面性），避免因主題有所側(cè)重誤導(dǎo)讀者，首先需要強(qiáng)調(diào)的是鋯心材質(zhì)必須穩(wěn)定且合格。換言之，鋯心品質(zhì)的不穩(wěn)定是導(dǎo)致中間包水口使用壽命不佳及各種意外下線情況的首要原因。關(guān)于鋯心材質(zhì)的穩(wěn)定性，著重強(qiáng)調(diào)以下三點(diǎn)：

1.熱震穩(wěn)定性的判斷標(biāo)準(zhǔn)及批次間性能的一致性。

鋯心的熱震穩(wěn)定性，是鋯心產(chǎn)品合格的**標(biāo)準(zhǔn)。熱震穩(wěn)定性得不到保證，則其他關(guān)于壽命的方向（體積密度/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/母體磚材質(zhì)等等）的討論就失去意義。不同廠家采取不同的質(zhì)檢方法，有的用熱震爐檢測(cè)法，有的用火焰灼燒法?？梢源_定，上述兩種方法都能有效評(píng)價(jià)鋯心熱震穩(wěn)定性?，F(xiàn)就熱震穩(wěn)定性檢測(cè)原理進(jìn)行闡述。鋯心在使用時(shí)（以上水口鋯心為例），烘烤到400℃左右→加引流沙→1540℃開澆。上述過程的溫差約為1140℃，故而在以熱震爐為檢測(cè)設(shè)備的情況下，建議將檢測(cè)溫度由國(guó)標(biāo)熱震穩(wěn)定性檢測(cè)法中的1100℃爐溫提高至1200℃；同時(shí)建議將熱震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方式由“1100攝氏度→水冷循環(huán)次數(shù)”調(diào)整為出現(xiàn)裂紋的溫差。

成熟的鋯心供應(yīng)商必須要解決鋯心的熱震穩(wěn)定性及抗熱震一致性的問題，才能保證下游客戶在使用過程中的可靠性。

2.氣孔率的穩(wěn)定性。

氣孔率（體積密度）在一定程度上代表了該材質(zhì)產(chǎn)品的抗蝕損性。在原材料及生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的情況下，鋯心體積密度的一致性甚佳。以振中公司牌號(hào)為Z-61的單斜鋯（圖1）為例，筆者幾年的使用經(jīng)驗(yàn)表明，產(chǎn)品密度為5.36，不同批次密度誤差為±0.01，一致性甚好。為保證使用性能的穩(wěn)定，鋯心生產(chǎn)商應(yīng)該重視產(chǎn)品密度的檢測(cè)。

圖1.電熔單斜鋯球（鄭州振中電熔新材料）

3.燒成收縮率的穩(wěn)定性。

產(chǎn)品的收縮率對(duì)于成品孔徑的公差控制意義重大。下鋯心的型號(hào)區(qū)分，以0.5mm為階段。倘若產(chǎn)品燒成收縮率不穩(wěn)定，一方面會(huì)導(dǎo)致孔徑不準(zhǔn)及外形尺寸的波動(dòng)（影響鑲嵌），更重要的是會(huì)影響產(chǎn)品的熱震穩(wěn)定性和抗蝕損性。

當(dāng)前市場(chǎng)上諸多鋯心生產(chǎn)商的配方，其燒成收縮率都在10%以上，倘若因工藝波動(dòng)導(dǎo)致燒結(jié)收縮率由10%變?yōu)?1%，產(chǎn)品的外形尺寸（以直徑60mm上鋯心為例）就會(huì)產(chǎn)生0.6mm的變動(dòng)，影響泥縫寬度（合理泥封寬度為0.5-0.75mm）和泥封質(zhì)量（疏松/空泥等），為水口磚整體的使用效果埋下隱患。

明確了產(chǎn)品熱震穩(wěn)定性/氣孔率/收縮率三方面的保障，接下來討論產(chǎn)品的形狀設(shè)計(jì)。從功能方面看，快換水口之所以分為快換上水口和快換下水口，源于功能的劃分。中間包上水口（圖2）起的作用為承接座磚與下滑塊的過渡作用。下滑快則其控制鋼水流速的作用。既然中間包上水口起的作用是過渡鋼水，且上水口的壽命決定了整個(gè)中間包的壽命，就必然要求上水口：

圖2.中間包上水口（青島賽萊歐高溫陶瓷有限公司）

1.熱震穩(wěn)定性可靠，杜絕炸裂情況；

2.體積密度高，抗擴(kuò)徑能力強(qiáng)；

3.機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性好，避免夾鋼。

鋼廠的理想目標(biāo)是中間包長(zhǎng)壽化和拉速穩(wěn)定化。如果要實(shí)現(xiàn)中間包壽命達(dá)到120h，下滑快壽命達(dá)到12h的目標(biāo)，以上鋯心允許擴(kuò)徑量為6mm，下鋯心允許擴(kuò)徑量為0.5mm為判斷標(biāo)準(zhǔn)：鋯心擴(kuò)徑速率為0.05mm/h。在此筆者建議，上鋯心的體積密度應(yīng)該達(dá)到5.5g·cm-3，下鋯心密度應(yīng)該達(dá)到5.55g·cm-3以滿足上述壽命要求。

結(jié)合各路友人提供的資料，上水口的失效方式主要表現(xiàn)為（圖3）：

1.上鋯心炸裂導(dǎo)致的局部吃邊；

2.上鋯心耐蝕損性不佳導(dǎo)致的快速擴(kuò)徑（鋼柱粗或呈葡萄裝）；

3.上鋯心機(jī)械強(qiáng)度&抗侵蝕不佳導(dǎo)致的夾鋼片。

圖3.滑塊吃邊/上水口鋼柱鼓包/夾鋼片/擴(kuò)徑快

解決了產(chǎn)品材質(zhì)方面的問題后，上述問題會(huì)大大減少。即：減少意外使用情況的出現(xiàn)。在作產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時(shí)，必須保證產(chǎn)品的性能是穩(wěn)定的。倘若產(chǎn)品熱震穩(wěn)定性波動(dòng)或者體積密度波動(dòng)，糅雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足而產(chǎn)生形形色色的非正常現(xiàn)象，就易導(dǎo)致下游用戶的迷惑。

前面多篇文章中筆者論述了氧化鋯材質(zhì)的進(jìn)步，本文前半部分由論述了產(chǎn)品性能穩(wěn)定&一致的重要性，下面就從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度給出上下鋯心的設(shè)計(jì)建議，供大家參考圖4圖5圖6。

圖4.上水口鋯心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5.H100滿芯下滑快鋯心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6.大快換水口鋯心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上鋯心設(shè)計(jì)原則：

1.合理的長(zhǎng)徑比避免收縮不均勻?qū)е碌乃?結(jié)構(gòu)應(yīng)力；

2.符合流體力學(xué)的湯道結(jié)構(gòu)；

3.保證長(zhǎng)時(shí)間使用穩(wěn)定性的壁厚（外圓尺寸）。

下鋯心設(shè)計(jì)原則：

1.加大T型結(jié)構(gòu)的端面尺寸（小滑塊?60mm大滑塊鋯心?70mm），保證上下鋯心的配合面積，預(yù)防漏鋼，同時(shí)避免長(zhǎng)時(shí)間使用上下水口板面燒結(jié)到一起；

2.順滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效分散熱應(yīng)力，以保證在役過程結(jié)構(gòu)完整性（下滑快往往不經(jīng)過烘烤直接上線，對(duì)熱震穩(wěn)定性的要求更苛刻）；

3.摒棄鋯心+鋯板的拼接方案，實(shí)現(xiàn)下滑快鋯心的無縫化。

由于篇幅設(shè)計(jì)，不再贅加圖紙。H100系列下滑快鋯心孔徑，大頭直徑60mm（不小于上鋯心外圓），內(nèi)孔從17.5mm到24.5mm，每0.5mm為一個(gè)型號(hào)；H125系列下滑快鋯心，大頭直徑70mm（不小于上鋯心外圓），內(nèi)孔從20mm到27mm，每0.5mm為一個(gè)型號(hào)。

令人痛心地是，部分從業(yè)者不能明確上下水口的功能劃分和孔徑計(jì)算方式，導(dǎo)致“拍腦門”式的決策，又有諸多不負(fù)責(zé)任的承諾與宣傳，導(dǎo)致很多鋼鐵企業(yè)的中間包長(zhǎng)期處于壽命不佳且表現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。今日發(fā)出此文，以饗各路同仁！