上水口锆芯的倒装与正装之论

中间包上水口锆芯的“倒装”与“正装”之争由来已久。笔者推出此文，意在道明原因，给用户朋友（尤其是钢铁企业相关负责人）一个明确的答复，也为水口行业的同仁提供参考。

在讨论上水口锆芯“倒装好”还是“正装好”之时，我建议从以下三个方面进行探讨：

**，钢水的流体力学特征；

第二，钢水与锆芯之间的物理/化学相互作用；

第三，倒装锆芯与正装锆芯之间的差别。

先上图。图1.为外形相同的两个液压快换上水口。至于目前市面上流行的上水口的外形多种多样，为何选择本形状的上水口作为案例，在此不多解释。笔者后面会专门发一篇文章论述上水口砖尺寸的确定和外形的选择。

图1.正装上锆芯与倒装上锆芯对比图

关于钢水的流体力学特征，在此只讨论与本文论述产品相关的钢种，主要包括建筑用钢材及普通结构钢，牌号包括但不限于：HRB400及其兄弟系列（20MnSiV/20MnSiNb/20MnSiTi），Q235，Q345B。此数钢种为低合金结构钢，熔点1495℃上下，粘度与水接近，密度7.02左右，运动粘度远高于水（本文为一般科普性读物为保证易读性尽量删除冗杂与生硬的数据）。

钢水与锆芯之间的相互作用包含物理冲刷和化学侵蚀两方面。笔者在读期间的大小论文均有论述，在此只作简单介绍。氧化锆之所以适合用作控流的核心部件，因为其具有优异的耐高温性能&热震稳定性和抗侵蚀性。根据青岛赛莱欧高温陶瓷有限公司内部检测数据，氧化锆水口（镁钇复合稳定，ZrO2%+MgO%+Y2O3%＞99.5的高纯氧化锆制品，体积密度5.45，显气孔率5%）在1540℃下抗弯强度与室温相仿（＞100MPa，样块尺寸100*25.4*12）。如此“强硬”的材料，钢水对其冲刷破坏作用微乎其微。而在高温下的化学反应却精彩的像万花筒：

[Mn]+[O]→MnO
[Si]+2[O]→SiO2
MnO+SiO2→MnSiO3①
[Fe]+[O]→FeO
MgO+SiO2→MgSiO3②
... ...
对于化学反应方程式的罗列**于说明化学反应的重要性和普遍存在性（有感兴趣的朋友可以来电来信交流）。关键在于：**，反应产物①是一种低熔点物质（Tm=1250℃）；第二，反应参与物SiO2不仅存在于钢水中，也是锆芯中普遍存在的杂质。第三，反应式②是钢水对锆芯的侵蚀反应。经此一役，锆芯的强度和抗润湿性的力量之源----稳定氧化锆相遭到破坏，局部解体被钢水冲走产生扩径。

在此必须说明的是，图1中锆芯的内孔尺寸（尤其是喇叭口弧度）是我司工程师经过计算后设计得来，并得到了钢厂使用证明，感兴趣的朋友可以免费索取。另外图1中左右两图内孔的弧度及尺寸完全相同。锆芯的倒装与正装仅仅是锆芯外形有所变化。

综上，细心的读者已经发现：锆芯的倒装&正装与其化学侵蚀/物理冲刷的相关性不大，满足流体力学原则方面也是差别甚微。在此就不得不提醒读者两点。

1.锆芯的组装及水口砖的研磨是在室温下进行操作的，而锆芯的使用温度为钢水温度（＞1500℃）。根据青岛赛莱欧高温陶瓷有限公司内部检测数据，锆心（理化指标同前述高温抗折段）25℃-1500℃热膨胀系数为1%，即H130mm的锆芯在工作温度下的长度为H131.3mm。

2.图中两种安装方式的锆芯，其过钢孔的形状与尺寸相同，但经过一段时间使用后，当锆芯发生扩径，二者就会大有不同。

为了使得论述简单易懂，从生产厂家采用倒装/正装结构的目的性进行描述（依据为笔者的走访了解和客户订购锆芯时的要求）。欧洲和北美为代表的长寿命上水口采用的是正装结构。笔者也赞同这种组装方式。配图2及解释如下。

图2.上水口安装示意图（锆芯正装）

通过水口砖安装示意图可知，正装锆芯因小头处在水口铁壳及机构的约束下，锆芯的热膨胀向上延申，锆芯表面不会高出母体砖。如果锆芯表面高出母体砖，将导致滑块更换过程阻力大且易造成机械损伤。所以正装锆芯可以有效避免机械损伤，利于水口的长时间稳定使用。

在实际操作中，有的水口生产商发现锆芯使用中常见两个毛病：**是夹钢，第二是吃边。当采用倒装锆芯时，同样单重的锆芯，直径大的一头作为配合面与滑块配合（相当于锆芯加粗），可以在一定程度上延长夹钢状态下的支撑时间（经验值为直径增大1mm可以多撑1小时）。另外，倒装锆芯膨胀量向下延申，会使得锆芯表面略高于母体砖表面。当夹钢情况出现时，操作工在滑块前头抹上火泥对夹钢层进行清理。这种权宜之计，竟然导致了近几年倒装锆芯大行其道而少有人再深究其理。

通过上段论述可知，倒装锆芯更多的是出于解决锆芯质量不足所进行的补救措施，并非合理的结构设计。当然，我们也不能草率的得出“倒装锆芯的表面一定高出母体砖”结论，因为具体的情况还与砖型设计/泥缝等等诸多条件紧密相连。撰写此文的初衷是为了推广中间包长寿化。而要大幅度提高中间包寿命必须把这些细节问题搞明白。笔者希望各位行业同仁和钢厂的朋友能够重视中间包水口总成的设计和使用。中间包长寿化的前提是“耐材设备化”。这里所说的“耐材设备化”是相对于“耐材是耗材”这一传统观念而言。“设备化”就要求设计原理明确，结构合理，材料过硬。