浸入式水口(SEN)是连铸环节安装在中间包底部并插入结晶器钢液面以下的浇注用耐火套管，主要功能是防止中间包注流的二次氧化和钢水飞溅，避免结晶器保护渣卷入钢液，改善注流在结晶器内的流动状态和热流分布，从而促使结晶器内坯壳的均匀生长，有利于钢中气体和夹杂的排出。
某公司2018年10月份以来多次出现浸入式水口穿孔问题，严重干扰了企业安全生产及生产顺行，必须尽快找出水口穿孔原因，消除对产品产质量的影响。
1、水口穿孔事故现象
1.1用后水口在线测量
2018年10月3日小夜班生产连浇第5炉时，V流水口穿孔停浇，第6炉Ⅱ流水口穿孔停浇。10月28日小夜班生产450mm断面某钢种13炉，浇铸结束时发现Ⅰ流水口下部断裂。
中包停浇冷却后，开展相关测量，利用水平仪测量了5只水口的安装高度，水平高度仪检测结果显示，所有水口均处在同一水平面，其他水口及中间包耐火材料未发现异常，见图1。
图1中间包停浇后水平高度测量
浸入式水口是定形制品，人为因素对其使用性能影响极小。包装、运输、安装和烘烤过程中，用户方、总包方和供货方做到了全程监控，水口使用时更是实时监控，浇铸曲线见图2。
图2浇铸监控曲线
1.2用后水口取样
将用后的浸入式水口全部敲出后原样拼接，测量内外尺寸，见图3及表1。从表1可见，内孔从上到下扩径至16~18mm，1号水口下部30mm缺失，余部距端口高度50mm处外径减小了3~15mm，残端显示为圆滑的半圆状，表现为缓慢的侵蚀所致。
图3用后浸入式水口图片
(a)浸入式水口结构示意图(b)穿孔水口
表1用后水口内外径尺寸(mm)
图4为用后水口断面形貌。用后浸入式水口上复合面(距端口170mm)ZrO2-C侧材料由外而内彻底氧化脱碳，水口整体性迅即改变，有效厚度由22mm以上迅速降至10mm以下，水口最薄处仅2.36mm，随着时间增加，穿孔事故的发生成为必然。
图4用后水口断面形貌
(a)1号水口断面(b)5号水口断面(c)1号水口内孔(d)1号水口复合部位
5号水口内孔未发生明显氧化，且内壁光滑平整，没有粘附如1号水口滴状钢及杂质层。
从水口断面初步判断，本次质量事故的原因是：1号水口本体材料Al2O3-C抗氧化、抗侵蚀性能差，浇铸过程中内孔逐渐侵蚀冲刷扩孔，在复合层上结合处碰到锆碳层氧化失碳，局部失去了强度，即造成了穿孔。下结合部既有内孔扩孔，同时又经钢、渣及保护渣的反复冲刷和侵蚀缩颈，形成内外夹击的局面，厚度越来越薄，造成断裂面。
2、检测结果与分析
为进一步剖析水口损毁原因，除电镜等分析杂质和变质层外，将所有取样样品均磨去表面杂质和变质层。对用后的浸入式水口理化性能等项目进行了检测和分析。检测项目及部位见表2。
表2用后水口取样及检测部位
2.1化学成分
水口的化学成分对比主要针对穿孔部位进行，腕部MgO-C质材料未涉及。
表3浸入式水口的化学组成wt/%
由表3中两只水口化学成分可以看出，两只水口化学成分接近，5号水口Al2O3含量比1号水口高2%左右。
2.2体积密度、显气孔率和抗氧化性能
抗氧化性能是含碳耐火材料关键性能之一，直接决定含碳耐火材料抗侵蚀和抗冲刷性能，是影响使用寿命决定性因素之一。通常在耐火材料生产时添加金属铝粉、硅粉、氮化硼等抗氧化剂，必要时表面涂釉。
表4为用后水口的体积密度、气孔率、氧化烧失率指标。
表4本体铝碳材料物理性能分析
由表4可以看出，两支水口体积密度几乎一致，说明两支水口的成型压力等工艺参数基本一致。1号氧化烧失率较5号本体材料高，说明1号浸入式水口本体材料抗氧化性能较差。在碳含量相同的情况下，从耐火原材料及使用性能来说，不至于产生抗氧化性能如此的差距。显气孔率相差较为明显的原因可能与原料品位有关，原料品位低、颗粒吸水率大，其杂质含量较高，在使用过程中会逐渐被氧化烧蚀掉，在产品内部留下更多气孔，由表3中水口化学成分也印证了上述分析。
2.3线膨胀率
图5为1号、5号浸入式水口本体和渣线部位高温线膨胀实验结果。Al2O3-C和ZrO2-C材料的高温线膨胀主要是由其主要成分——刚玉和氧化锆决定的，通常添加氧化锆改善耐火材料的热震稳定性，利用氧化锆高温线膨胀较大，人为制造裂纹从而达到增韧的效果。但以氧化锆为主要材质的材料做复合层的时候，需要考虑两种材料的膨胀率差，以防止温度升高时产生内应力。
图5 高温线膨胀试验检测结果
从测试结果看，1号水口本体Al2O3-C和渣线ZrO2-C材料膨胀率相差较大，5号水口本体Al2O3-C和渣线ZrO2-C材料膨胀率较为接近。其中5号本体材料热膨胀率较高主要与5号本体材料中Al2O3、ZrO2含量较高有关，这也是5号水口用后能够保持较为完整的原因所在，所以复合部位不同耐火材料线膨胀率的匹配对产品使用有重要影响。
2.4电镜分析
由图6中扫描电镜分析结果可知，两只水口其原质层化学成分非常接近，未发现明显的差异;而由两只水口疏松层部位扫描电镜图片(b)、(d)可以看出，1号水口疏松层孔洞较多，结合该部位化学成分可知，该部位碳含量较5号低，确定孔洞为水口在使用过程中脱碳造成，且1号水口脱碳率比5号高。
图6C1B/C5B扫描图片
表5各打点部位元素含量
3、结论
(1)浸入式水口本体Al2O3-C质与渣线部位ZrO2-C质耐材性能差别较大，易造成高温使用过程中高温强度降低，且高温下两者膨胀系数差别较大，易出现缺陷、裂缝以及内孔部位的脱碳扩孔，致使水口使用过程中在结合部位出现穿孔。
(2)本次水口穿孔及下端掉块的原因：1号水口Al2O3-C料抗氧化指标较低，复合部位热膨胀不匹配，导致实际使用过程中部分锆碳层氧化失碳，局部失去强度，进而造成水口穿孔。
(3)浸入式水口生产中的应用进一步加大探伤与质检在连铸三大件材料，使用单位加大产品检测和在现场使用过程中的跟踪力度，定期抽检产品性能，保证现场生产稳定顺行。
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