长水口的“冰与火之歌”：破解连铸过程中的热冲击与侵蚀难题

在现代钢铁生产中，连续铸造是绝对的核心环节。而在这条高速运转的生产线上，一个连接钢包与中间包、看似不起眼的耐火材料部件——长水口，却扮演着“咽喉”般的关键角色。它的稳定与否，直接决定了钢水能否被平稳、洁净地输送，甚至影响着整个连铸作业的成败。

长水口，又被称为保护套管，其核心使命是为高温钢水构建一个与外界隔绝的通道，防止钢水飞溅、二次氧化，并阻挡中间包的熔渣卷入。然而，这个“保护神”自身却处在一个极其严酷的工作环境中，面临着两大致命考验：剧烈的热冲击和持续的冲刷侵蚀。

第一重考验：瞬间的温差——抗热冲击性的极限挑战

在连铸三大件（长水口、浸入式水口、塞棒）中，长水口对热冲击的耐受能力要求或许最为苛刻。多数钢厂为了提升效率，采用不预热直接使用的方式。这意味着，在浇铸开始的瞬间，长水口内表面温度从室温骤升至1500°C以上的钢水温度，而其外壁仍与空气接触，温度要低得多。这种内外壁巨大的温差，会在材料内部催生出巨大的热应力，极易导致水口产生纵向裂纹，造成灾难性的漏钢事故。

材料在热冲击下产生的内部应力（σ）可以用一个简化的关系来理解：它与材料自身的弹性模量（E）和热膨胀率（α）成正比，与内外温差（ΔT）成反比。从理论上讲，要化解这种应力，无非三条路径：降低材料的热膨胀率（α）、降低其弹性模量（E），或者设法减小材料内部的温度梯度（ΔT）。

基于此，业界探索出了两条主流的技术路线：

1. 材料内功修炼： 通过在铝碳质材料中引入较高含量的石墨，并复合添加熔融石英、锆莫来石等低热膨胀系数的物料。石墨的加入能有效降低整体的弹性模量，使其更具“柔性”；而低膨胀物料则从根本上减小了材料受热时的膨胀幅度。
2. 内外双层设计： 采用复合结构，将水口设计为内外两层。直接接触高温钢液的内层采用低碳甚至无碳材质，其较低的热导率可以减缓热量向外层的传递，从而降低外层材料承受的热应力。而外层则使用低SiO₂含量的铝碳材质，以增强对钢液的抗侵蚀性。

这两种路径，本质上都是通过不同的物理机理，来提升制品在极端热冲击条件下的结构可靠性。

第二重考验：持续的损耗——冲刷与侵蚀的双重攻击

如果说热冲击是长水口面临的“瞬时生死劫”，那么化学侵蚀和物理冲刷则是对其寿命的“凌迟考验”。长水口在使用过程中，不同部位因工况差异，其损耗机理和速度也大相径庭。

图15-6长水口易损部位示意图

如图所示，几个关键的易损部位包括：

• 渣线部位： 受到中间包覆盖剂的持续化学侵蚀。
• 钢液流出口： 浸入钢液的部分，承受着钢水最强烈的冲刷、侵蚀和氧化作用。
• 颈部： 因钢液可能发生的偏流或吹氧清扫操作，导致局部冲刷异常严重。
• 与滑动水口结合部： 若密封不严，吸入的空气会导致材料氧化脱碳，结构强度下降。

其中，浸入钢水的部分和颈部是损耗最为剧烈的区域。要延长长水口的使用寿命，就必须在材料的抗侵蚀和抗冲刷性能上做足文章。这背后是一场复杂的材料配方博弈。例如，增加石墨含量（通常控制在25% ~ 30%）能提高抗热震性，但同时会牺牲抗钢液冲刷和侵蚀的能力。因此，主材的选择至关重要，通常选用电熔刚玉、白刚玉等高纯度、高致密的耐火原料作为骨架，并辅以SiC、熔融石英等添加剂，分别优化其抗氧化性和抗热震性。

下表展示了针对不同使用要求设计的几种长水口材料配比及性能。可以看到，从基体、内衬到渣线，其化学组成和物理性能都有着精细的调整，以应对不同部位的挑战。

表15-23 长水口材料性能

从材料到工艺：迈向更长连浇寿命的系统工程

材料性能的提升是基础，但操作工艺的优化同样不可或缺。日本钢厂近十年来在长水口寿命上取得的显著进步，已能稳定达到30-40个浇次，这很大程度上归功于操作技术的改进，如充分的预热、合理的吹氧清扫程序等，以及材料性能的系统性提升，包括提高力学强度以应对振动应力，内衬采用低碳材质减少冲刷，以及开发高效的防氧化涂料等。

在国内，随着连浇炉次和时间的不断延长，长水口的寿命往往成为短板，常常需要中途更换，影响生产节奏。特别是在冶炼洁净钢的需求下，对材料的要求更为苛刻。为此，无硅铝碳长水口应运而生。

表15-24 常规与无硅长水口材料性能指标对比

从表中数据不难看出，无硅长水口通过提高Al₂O₃含量和引入SiC，在保持良好抗热震性的同时，显著提升了材料的致密度和强度，从而在现场应用中获得了更长的使用寿命。这种性能上的细微差异，背后是复杂的材料科学原理，而要准确评价这些差异，离不开精密的性能检测。无论是热膨胀率、弹性模量还是抗折强度，每一个数据的准确获取，都是材料研发和品控成功的基石。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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最后一道防线：吹氩密封的重要性

对于高性能钢种，长水口还有一个不容忽视的关键技术点——碗部的吹氩密封。当长水口与钢包下方的滑动水口连接时，高速流动的钢水会产生负压，极易将周围的空气吸入，造成钢水氧化，破坏洁净度。因此，绝大多数长水口都在碗部设计了吹氩密封结构，通过通入氩气，在水口碗部形成一道环形气膜，有效隔绝空气，确保实现真正的无氧化浇注。

从应对瞬时热冲击的材料设计，到抵抗长期侵蚀的配方优化，再到保障钢水洁净度的精巧密封结构，长水口的发展历程，正是钢铁工业追求高效、长寿、高品质的缩影。对这一关键部件的深入理解和持续改进，将始终是连铸技术进步的重要一环。