浸入式水口(SEN)是連鑄環節安裝在中間包底部并插入結晶器鋼液面以下的澆注用耐火套管，主要功能是防止中間包注流的二次氧化和鋼水飛濺，避免結晶器保護渣卷入鋼液，改善注流在結晶器内的流動狀态和熱流分布，從而促使結晶器内坯殼的均勻生長，有利于鋼中氣體和夾雜的排出。

某公司2018年10月份以來多次出現浸入式水口穿孔問題，嚴重幹擾了企業安全生産及生産順行，必須盡快找出水口穿孔原因，消除對産品産質量的影響。

1、水口穿孔事故現象

1.1用後水口在線測量

2018年10月3日小夜班生産連澆第5爐時，V流水口穿孔停澆，第6爐Ⅱ流水口穿孔停澆。10月28日小夜班生産450mm斷面某鋼種13爐，澆鑄結束時發現Ⅰ流水口下部斷裂。

中包停澆冷卻後，開展相關測量，利用水平儀測量了5隻水口的安裝高度，水平高度儀檢測結果顯示，所有水口均處在同一水平面，其他水口及中間包耐火材料未發現異常，見圖1。

圖1中間包停澆後水平高度測量

浸入式水口是定形制品，人為因素對其使用性能影響極小。包裝、運輸、安裝和烘烤過程中，用戶方、總包方和供貨方做到了全程監控，水口使用時更是實時監控，澆鑄曲線見圖2。

圖2澆鑄監控曲線

1.2用後水口取樣

将用後的浸入式水口全部敲出後原樣拼接，測量内外尺寸，見圖3及表1。從表1可見，内孔從上到下擴徑至16~18mm，1号水口下部30mm缺失，餘部距端口高度50mm處外徑減小了3~15mm，殘端顯示為圓滑的半圓狀，表現為緩慢的侵蝕所緻。

圖3用後浸入式水口圖片

(a)浸入式水口結構示意圖(b)穿孔水口

表1用後水口内外徑尺寸(mm)

圖4為用後水口斷面形貌。用後浸入式水口上複合面(距端口170mm)ZrO2-C側材料由外而内徹底氧化脫碳，水口整體性迅即改變，有效厚度由22mm以上迅速降至10mm以下，水口最薄處僅2.36mm，随着時間增加，穿孔事故的發生成為必然。

圖4用後水口斷面形貌

(a)1号水口斷面(b)5号水口斷面(c)1号水口内孔(d)1号水口複合部位

5号水口内孔未發生明顯氧化，且内壁光滑平整，沒有粘附如1号水口滴狀鋼及雜質層。

從水口斷面初步判斷，本次質量事故的原因是：1号水口本體材料Al2O3-C抗氧化、抗侵蝕性能差，澆鑄過程中内孔逐漸侵蝕沖刷擴孔，在複合層上結合處碰到锆碳層氧化失碳，局部失去了強度，即造成了穿孔。下結合部既有内孔擴孔，同時又經鋼、渣及保護渣的反複沖刷和侵蝕縮頸，形成内外夾擊的局面，厚度越來越薄，造成斷裂面。

2、檢測結果與分析

為進一步剖析水口損毀原因，除電鏡等分析雜質和變質層外，将所有取樣樣品均磨去表面雜質和變質層。對用後的浸入式水口理化性能等項目進行了檢測和分析。檢測項目及部位見表2。

表2用後水口取樣及檢測部位

2.1化學成分

水口的化學成分對比主要針對穿孔部位進行，腕部MgO-C質材料未涉及。

表3浸入式水口的化學組成wt/%

由表3中兩隻水口化學成分可以看出，兩隻水口化學成分接近，5号水口Al2O3含量比1号水口高2%左右。

2.2體積密度、顯氣孔率和抗氧化性能

抗氧化性能是含碳耐火材料關鍵性能之一，直接決定含碳耐火材料抗侵蝕和抗沖刷性能，是影響使用壽命決定性因素之一。通常在耐火材料生産時添加金屬鋁粉、矽粉、氮化硼等抗氧化劑，必要時表面塗釉。

表4為用後水口的體積密度、氣孔率、氧化燒失率指标。

表4本體鋁碳材料物理性能分析

由表4可以看出，兩支水口體積密度幾乎一緻，說明兩支水口的成型壓力等工藝參數基本一緻。1号氧化燒失率較5号本體材料高，說明1号浸入式水口本體材料抗氧化性能較差。在碳含量相同的情況下，從耐火原材料及使用性能來說，不至于産生抗氧化性能如此的差距。顯氣孔率相差較為明顯的原因可能與原料品位有關，原料品位低、顆粒吸水率大，其雜質含量較高，在使用過程中會逐漸被氧化燒蝕掉，在産品内部留下更多氣孔，由表3中水口化學成分也印證了上述分析。

2.3線膨脹率

圖5為1号、5号浸入式水口本體和渣線部位高溫線膨脹實驗結果。Al2O3-C和ZrO2-C材料的高溫線膨脹主要是由其主要成分——剛玉和氧化锆決定的，通常添加氧化锆改善耐火材料的熱震穩定性，利用氧化锆高溫線膨脹較大，人為制造裂紋從而達到增韌的效果。但以氧化锆為主要材質的材料做複合層的時候，需要考慮兩種材料的膨脹率差，以防止溫度升高時産生内應力。

圖5 高溫線膨脹試驗檢測結果

從測試結果看，1号水口本體Al2O3-C和渣線ZrO2-C材料膨脹率相差較大，5号水口本體Al2O3-C和渣線ZrO2-C材料膨脹率較為接近。其中5号本體材料熱膨脹率較高主要與5号本體材料中Al2O3、ZrO2含量較高有關，這也是5号水口用後能夠保持較為完整的原因所在，所以複合部位不同耐火材料線膨脹率的匹配對産品使用有重要影響。

2.4電鏡分析

由圖6中掃描電鏡分析結果可知，兩隻水口其原質層化學成分非常接近，未發現明顯的差異;而由兩隻水口疏松層部位掃描電鏡圖片(b)、(d)可以看出，1号水口疏松層孔洞較多，結合該部位化學成分可知，該部位碳含量較5号低，确定孔洞為水口在使用過程中脫碳造成，且1号水口脫碳率比5号高。

圖6C1B/C5B掃描圖片

表5各打點部位元素含量

3、結論

(1)浸入式水口本體Al2O3-C質與渣線部位ZrO2-C質耐材性能差别較大，易造成高溫使用過程中高溫強度降低，且高溫下兩者膨脹系數差别較大，易出現缺陷、裂縫以及内孔部位的脫碳擴孔，緻使水口使用過程中在結合部位出現穿孔。

(2)本次水口穿孔及下端掉塊的原因：1号水口Al2O3-C料抗氧化指标較低，複合部位熱膨脹不匹配，導緻實際使用過程中部分锆碳層氧化失碳，局部失去強度，進而造成水口穿孔。

(3)浸入式水口生産中的應用進一步加大探傷與質檢在連鑄三大件材料，使用單位加大産品檢測和在現場使用過程中的跟蹤力度，定期抽檢産品性能，保證現場生産穩定順行。

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