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锆心的性状设计

2023-03-28 13:11 李翔

笔者在本月(202303)初写了几篇关于中间包快换水口的科普性文章,准确的说是经验笔记。目的是通过个人经验分享,为广大中间包从业者提供切实有效的经验参考,避免走弯路。殷切希望能够和各路同仁一同为钢铁行业的低碳发展和高效发展作出贡献。


当笔者看到中间包市场种种乱象,内心五味杂陈。一方面承包价格逐年走低,耐火材料供应商和承包商利润微薄难以为继;另一方面钢铁企业也面临节能降耗和产品升级的重重压力。如果中间寿命能够稳定提高,可以同时解决上述双方的痛点。于是乎经验笔记的分享行动成行。


五篇文章发出后,效果喜人。许多读者发来反馈:有的就文章内容提出疑议,有的讨论连铸现场水口出现的异常下线情况,也有的就某个特定的中间包现场条件寻求技改方案。特别地,有同仁问到锆心孔径与结构对其使用性能的影响,所以笔者今天准备写一篇关于锆心结构设计的文章,以飨读者。感兴趣的可以私信索取完整设计方案。


在讨论锆心结构设计之前,为保证文章的完整性(单篇文章信息的全面性),避免因主题有所侧重误导读者,首先需要强调的是锆心材质必须稳定且合格。换言之,锆心品质的不稳定是导致中间包水口使用寿命不佳及各种意外下线情况的首要原因。关于锆心材质的稳定性,着重强调以下三点:


1.热震稳定性的判断标准及批次间性能的一致性。


锆心的热震稳定性,是锆心产品合格的**标准。热震稳定性得不到保证,则其他关于寿命的方向(体积密度/结构设计/母体砖材质等等)的讨论就失去意义。不同厂家采取不同的质检方法,有的用热震炉检测法,有的用火焰灼烧法。可以确定,上述两种方法都能有效评价锆心热震稳定性。现就热震稳定性检测原理进行阐述。锆心在使用时(以上水口锆心为例),烘烤到400℃左右→加引流沙→1540℃开浇。上述过程的温差约为1140℃,故而在以热震炉为检测设备的情况下,建议将检测温度由国标热震稳定性检测法中的1100℃炉温提高至1200℃;同时建议将热震稳定性评价方式由“1100摄氏度→水冷循环次数”调整为出现裂纹的温差。


成熟的锆心供应商必须要解决锆心的热震稳定性及抗热震一致性的问题,才能保证下游客户在使用过程中的可靠性。


2.气孔率的稳定性。


气孔率(体积密度)在一定程度上代表了该材质产品的抗蚀损性。在原材料及生产工艺稳定的情况下,锆心体积密度的一致性甚佳。以振中公司牌号为Z-61的单斜锆(图1)为例,笔者几年的使用经验表明,产品密度为5.36,不同批次密度误差为±0.01,一致性甚好。为保证使用性能的稳定,锆心生产商应该重视产品密度的检测。


电熔单斜锆球(郑州振中电熔新材料).png


图1.电熔单斜锆球(郑州振中电熔新材料)


3.烧成收缩率的稳定性。


产品的收缩率对于成品孔径的公差控制意义重大。下锆心的型号区分,以0.5mm为阶段。倘若产品烧成收缩率不稳定,一方面会导致孔径不准及外形尺寸的波动(影响镶嵌),更重要的是会影响产品的热震稳定性和抗蚀损性。


当前市场上诸多锆心生产商的配方,其烧成收缩率都在10%以上,倘若因工艺波动导致烧结收缩率由10%变为11%,产品的外形尺寸(以直径60mm上锆心为例)就会产生0.6mm的变动,影响泥缝宽度(合理泥封宽度为0.5-0.75mm)和泥封质量(疏松/空泥等),为水口砖整体的使用效果埋下隐患。


明确了产品热震稳定性/气孔率/收缩率三方面的保障,接下来讨论产品的形状设计。从功能方面看,快换水口之所以分为快换上水口和快换下水口,源于功能的划分。中间包上水口(图2)起的作用为承接座砖与下滑块的过渡作用。下滑快则其控制钢水流速的作用。既然中间包上水口起的作用是过渡钢水,且上水口的寿命决定了整个中间包的寿命,就必然要求上水口:


中间包上水口(青岛赛莱欧高温陶瓷有限公司).png


图2.中间包上水口(青岛赛莱欧高温陶瓷有限公司)


1.热震稳定性可靠,杜绝炸裂情况;


2.体积密度高,抗扩径能力强;


3.机械强度和化学稳定性好,避免夹钢。


钢厂的理想目标是中间包长寿化和拉速稳定化。如果要实现中间包寿命达到120h,下滑快寿命达到12h的目标,以上锆心允许扩径量为6mm,下锆心允许扩径量为0.5mm为判断标准:锆心扩径速率为0.05mm/h。在此笔者建议,上锆心的体积密度应该达到5.5g·cm-3,下锆心密度应该达到5.55g·cm-3以满足上述寿命要求。


结合各路友人提供的资料,上水口的失效方式主要表现为(图3):


1.上锆心炸裂导致的局部吃边;


2.上锆心耐蚀损性不佳导致的快速扩径(钢柱粗或呈葡萄装);


3.上锆心机械强度&抗侵蚀不佳导致的夹钢片。


滑块吃边-上水口钢柱鼓包-夹钢片-扩径快.png


图3.滑块吃边/上水口钢柱鼓包/夹钢片/扩径快


解决了产品材质方面的问题后,上述问题会大大减少。即:减少意外使用情况的出现。在作产品结构设计分析时,必须保证产品的性能是稳定的。倘若产品热震稳定性波动或者体积密度波动,糅杂结构设计的不足而产生形形色色的非正常现象,就易导致下游用户的迷惑。


前面多篇文章中笔者论述了氧化锆材质的进步,本文前半部分由论述了产品性能稳定&一致的重要性,下面就从结构设计角度给出上下锆心的设计建议,供大家参考图4图5图6。


上水口锆心结构设计.png

图4.上水口锆心结构设计


H100满芯下滑快锆心结构设计.png

图5.H100满芯下滑快锆心结构设计


大快换水口锆心结构设计.png

图6.大快换水口锆心结构设计


上锆心设计原则:


1.合理的长径比避免收缩不均匀导致的塌腰/结构应力;


2.符合流体力学的汤道结构;


3.保证长时间使用稳定性的壁厚(外圆尺寸)。


下锆心设计原则:


1.加大T型结构的端面尺寸(小滑块ø60mm大滑块锆心ø70mm),保证上下锆心的配合面积,预防漏钢,同时避免长时间使用上下水口板面烧结到一起;


2.顺滑结构设计有效分散热应力,以保证在役过程结构完整性(下滑快往往不经过烘烤直接上线,对热震稳定性的要求更苛刻);


3.摒弃锆心+锆板的拼接方案,实现下滑快锆心的无缝化。


由于篇幅设计,不再赘加图纸。H100系列下滑快锆心孔径,大头直径60mm(不小于上锆心外圆),内孔从17.5mm到24.5mm,每0.5mm为一个型号;H125系列下滑快锆心,大头直径70mm(不小于上锆心外圆),内孔从20mm到27mm,每0.5mm为一个型号。


令人痛心地是,部分从业者不能明确上下水口的功能划分和孔径计算方式,导致“拍脑门”式的决策,又有诸多不负责任的承诺与宣传,导致很多钢铁企业的中间包长期处于寿命不佳且表现不稳定的状态。今日发出此文,以飨各路同仁!