长水口在使用过程中环境条件复杂。既要面对瞬间受热带来的热应力和机械应力导致的脖颈断裂或端口纵裂，还要面对渣液对浸渍部位的侵蚀;既要面对脖颈内壁处钢水散流带来的局部冲刷，又要面对渣线内壁处钢水冲刷以及溶解脱碳带来的扩孔。评价长水口的好坏，首先是材质的抗热震稳定性的好坏。

水口

1、热冲击损毁

通常长水口使用时不预热，内部钢流量1~8t/min左右。故而会产生较大的热应力以及机械应力。一般来说浇铸初期长水口内的热应力最大，受热冲击损毁一般发生在开浇初期。长水口在初次使用时，内壁接触1500℃以上的钢液，开始浇注时的数秒内，长水口内壁被钢液急剧加热，而此时外壁温度尚低，就会在材料的内部产生温度梯度。内壁膨胀的同时，外壁不能同步膨胀，这样，就会在内壁产生压应力，而在外壁受到较大的拉伸应力。对于耐火材料这类脆性材料来讲，抗拉强度比抗压强度低的多。当长水口外壁内的拉伸应力超过耐火材料的抗拉强度时，长水口外壁就会产生纵裂纹、脖颈横裂纹等现象。

长水口脖颈横断以及端部纵裂是由热应力和机械应力叠加造成的。长水口脖颈部位及下口圆周产生较大的应力。此热应力主要是由长水口内部的温度梯度所导致，故而长水口外表面的张应力(σT)可以用公式(1)表示：

σT=K·d·E·△T(1)

公式(1)中K为形状因素，d为热膨胀系数，E为弹性率，△T为水口内部温度差。从理论来说，降低热应力的方法一般有：降低材料的膨胀系数，降低材料的弹性率以及减小材料内部的温度差。

给出了低强度陶瓷的裂缝稳定参数Rst，见公式(2)。

(2)

此式中E为杨氏弹性模量，α为线性膨胀系数，γwof为断裂功。为使裂缝稳定参数在耐火材料设计中达到最大，一般常用方法是增大断裂功。对长水口材料来说，断裂功与显气孔率的比值达到最大时,表明材料抗热冲击性和抗蚀损达到最优。

文献对长水口颈部的应力以及机械应力做了研究。运用有限单元法，分别模拟了无隔热内衬以及有隔热内衬的长水口在工作状态下的热应力场，研究了热冲击时间、预热温度以及材料的热导率对热应力的影响。指出了造成颈部应力过大的主要原因是热应力，机械应力是次要因素。

长水口颈部由托圈固定，下部插入中包液面以下。当滑板控流时会发生偏流，从而使长水口内表面受到钢水的冲击，导致长水口以颈部为支撑点左右振动，从而在其颈部产生机械应力。影响振动的主要因素是钢包滑板的开度。一般认为，长水口颈部横断是热应力和机械应力共同作用的结果，其中热应力是机械应力的三倍。所以降低热应力和机械应力以及提高材料强度都是解决长水口颈部横断的方法。

评价长水口材料热震稳定性的难度较大。一些研究人员采用把试样做成带底板的圆筒，加热圆筒到1550℃后再浸于流动的水中。通过观察筒内是否进水，去判断圆筒是否有裂纹产生。圆筒经受加热次数多的材料热震稳定性就好。

2、冲蚀损毁

耐火材料的寿命及钢坯的质量与钢液和耐火材料之间是否发生反应密切相关。李楠指出：碳在钢中的含量很大，含碳耐火材料接触钢水时的脱碳过程分为两种形式，溶解脱碳和反应脱碳。溶解脱碳即当含碳耐火材料和钢液接触时，石墨向钢液中溶解的过程，见公式(3)。此直接溶解过程仅发生在耐火材料表面和耐火材料和钢液接触的开始阶段并很快进行，一旦有脱碳层在耐火材料表面形成，材料表面仅残留氧化物，钢流将不再和石墨直接接触。

长水口

当残留的氧化物被冲蚀进入钢液后，钢液会和新暴露的石墨接触，石墨的溶解过程会继续进行，造成材料的蚀损。如果残留的氧化物不被冲蚀到钢液中，由于钢液和氧化物的润湿角大于90℃，石墨无法和钢液接触，向钢液中的溶解就不会发生。

反应脱碳过程与耐火材料中的氧化物种类、连铸钢水成分、周围气氛等条件相关。长水口的吹氧清扫以及吸入空气都会导致氧化脱碳。

当含碳耐火材料与钢水接触时，可能发生如下反应：

C(s)=[C](3)

溶解于钢水中的碳也可以被氧化，可能的氧化反应为：

2[C]+O2=CO(g)(4)

[C]+(FeO)=CO(g)+[Fe](5)

[C]+[O]=CO(g)(6)

碳浓度比较小时，下面的反应可能发生：

[C]+2[O]=CO2(g)(7)

国外研究者研究了铝碳材料的脱碳，指出了铝碳材料的脱碳主要是因为石墨在钢液中的溶解所导致。石墨接触到钢液时，由于钢液中碳远没有达到饱和，故而石墨迅速溶进钢液。长水口材料碳含量很高，接触钢液后表面的石墨很快溶解到钢液中，由此产生脱碳。一旦石墨溶解完，表面仅剩氧化物。长水口内表面显得粗糙、疏松、多孔。急速的钢水对内表面脱碳层冲刷，造成脱碳层很快的脱落，接着造成石墨又与钢水接触。此过程往复循环进行，长水口内壁因此而扩孔。

长水口与钢包下水口结合部位密封不严时，会由于漏气而造成局部氧化脱碳，所以配合部位的密封或吹氩是非常重要的。钢中氧含量的高低会严重影响氧化脱碳。

当钢水中全氧含量超过了150ppm的量时，长水口材料的蚀损就会出现加剧的情况。

钢包的下渣和中间包覆盖剂共同作用，对长水口渣线部位造成了侵蚀。沈继耀等人认为，铝碳材料抵抗熔渣侵蚀能力与熔渣CaO/SiO2或Na2O/SiO2，总铁氧化物含量，粒度以及材料基质相与骨料的显微结构有很大的关系。日本向井等人通过观察材料与渣界面的蚀损状态，解释了蚀损机理。

众所周知，石墨很难被渣润湿，却很容易溶解到钢液中。耐火材料中的氧化物不易溶解到钢液中，却很容易被渣润湿而发生蚀损。在渣线液面上，由于液面的波动，造成了石墨向钢液中溶解以及氧化物被渣蚀损的交替进行的过程。所以难以被渣润湿的且向钢液溶解慢的材料对抑制渣线的蚀损是有帮助的。

另外由于石墨碳强度较低，很容易被高速的钢流冲刷掉，特别是当长水口内钢水界面流速大的时候。碳因被钢水冲刷掉所造成的脱碳我们称之为冲刷脱碳。

长水口

3、氧化损毁

由于石墨的存在，碳复合材料具有良好的抗渣性和热震稳定性。石墨最大的弱点就是被氧化，为了减少含碳材料的氧化，一般加入少量的抗氧化剂。常见的有Si，Al，Mg，Zr，SiC，B4C，BN等。抗氧化剂作用的原理不外乎从热力学的角度和从动力学角度来考虑。前者要求添加物或添加物和碳反应之后的生成物与氧的亲和力大于碳与氧在该温度下的亲和力;后者要求添加剂与氧气、一氧化碳或者碳反应生成之后生产的化合物改变了碳复合耐火材料的显微结构，比如堵塞材料的气孔，增加材料的致密度，从而阻碍了氧气及反应物的扩散等等。

根据与氧亲和力的大小比较，一般的长水口材料中，使用Si和B4C作为抗氧化剂。长水口经过烧成后，单质硅会与碳反应生成β-SiC。材料中剩余的硅粉能够抑制碳的氧化，其反应式如公式(8)所示。

3Si+2CO=SiO2+2SiC(8)

对于碳化硅来说，与氧的亲和力没有碳的大，其抗氧化机理如资料所解释。先是固态碳化硅和气态一氧化碳反应生成固态碳和一氧化硅气体，生成的固态碳沉积在碳化硅表面，导致一氧化碳分压减小而一氧化硅分压增大;一氧化硅气体向周围扩散过程中与一氧化碳气体反应生产物二氧化硅和碳沉积下来。上述反应后一氧化碳被还原为碳，体积膨胀了约三倍还要多，从而阻塞了材料中的部分气孔，提高了含碳材料的致密度，同时提高了含碳材料的抗氧化能力。

在1800K时，只有一氧化碳分压小于10-0.258的情况下，B4C才能稳定存在。但铝碳材料中一氧化碳的分压很高。故此B4C是不稳定的，会按照公式(9)、(10)、(11)等反应式和CO反应。

B4C(s)+6CO(g)=2B2O3(g)+7C(s)(9)

B4C(s)+4CO(g)=2B2O2(g)+5C(s)(10)

B4C(s)+4CO(g)=4BO(g)+5C(s)(11)

随着上述反应进行，环境中的一氧化碳向碳化硼颗粒表面扩散，从而使得上述反应继续进行下去。而且生成的气态B2O2和气态BO向周围扩散并与周围的CO继续反应，如公式(12)、(13)所示。

B2O2(g)+CO(g)=B2O2(L)+C(s)(12)

2BO(g)+2CO(g)=B2O3(L)+C(s)(13)

以上反应使一氧化碳还原为碳单质，所以抑制了碳的氧化。产生的三氧化二硼也可以与材料中氧化物反应生成低熔相。低溶相的出现堵塞了气孔，也就阻止了氧气的侵入。

张勤学等人研究了铝碳材料中加入抗氧化剂对材料性能的影响，指出Al2O3-C材料最佳的抗氧化剂为2%SI和1%B4C。