工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 张江山刘青杨树峰李京社 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes ZHANG Jiang-shan,LIU Qing.YANG Shu-feng.LI Jing-she 引用本文： 张江山，刘青，杨树峰，李京社.长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展.工程科学学报，2020,42(8)：939-948. doi10.13374j.issn2095-9389.2019.10.15.001 ZHANG Jiang-shan,LIU Qing.YANG Shu-feng,LI Jing-she.Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(8):939-948.doi: 10.13374-issn2095-9389.2019.10.15.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.15.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting 工程科学学报.2019,41(1：12htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.002 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 Subsurface hooks in continuous casting slabs of low-carbon steel 工程科学学报.2017,392：251 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2017.02.013 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报.2019,41(2：199 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.006 基于无网格伽辽金法的连铸坯凝固计算方法 Calculation of continuous casting billet solidification based on element-free Galerkin method 工程科学学报.2020,42(2：186 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.02.02.001 添加A山203-Z02复合粉改性氧化锆质定径水口及其损毁机理 Damage mechanism of zirconia metering nozzles modified by Al,O-ZrO,composite powder 工程科学学报.2017,392：202htps:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.02.006 超低碳钢连铸坯钩状坯壳的演变与夹杂物的捕集 Hook evolution and inclusion entrapment of ultralow-carbon steel slabs 工程科学学报.2018,409：外1065 https::1doi.org10.13374斩.issn2095-9389.2018.09.007
长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 张江山 刘青 杨树峰 李京社 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes ZHANG Jiang-shan, LIU Qing, YANG Shu-feng, LI Jing-she 引用本文: 张江山, 刘青, 杨树峰, 李京社. 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展[J]. 工程科学学报, 2020, 42(8): 939-948. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001 ZHANG Jiang-shan, LIU Qing, YANG Shu-feng, LI Jing-she. Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(8): 939-948. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(1): 12 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.002 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 Subsurface hooks in continuous casting slabs of low-carbon steel 工程科学学报. 2017, 39(2): 251 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.013 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(2): 199 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.006 基于无网格伽辽金法的连铸坯凝固计算方法 Calculation of continuous casting billet solidification based on element-free Galerkin method 工程科学学报. 2020, 42(2): 186 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.02.001 添加Al2 O3 -ZrO2复合粉改性氧化锆质定径水口及其损毁机理 Damage mechanism of zirconia metering nozzles modified by Al2 O3 -ZrO2 composite powder 工程科学学报. 2017, 39(2): 202 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.006 超低碳钢连铸坯钩状坯壳的演变与夹杂物的捕集 Hook evolution and inclusion entrapment of ultralow-carbon steel slabs 工程科学学报. 2018, 40(9): 1065 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.007
工程科学学报.第42卷，第8期：939-948.2020年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.8:939-948,August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001;http://cje.ustb.edu.cn 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 张江山，刘青，杨树峰区，李京社 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yangshufeng@ustb.edu.cn 摘要全球钢铁产品很大比例上是通过连铸工艺生产的，而中间包保护浇注是连铸生产高品质洁净钢的关键环节之一，长 水口是连接于钢包和中间包之间的耐材质通道，长水口的发明和使用在连铸技术发展过程中起到了重要的作用，并与中间包 的保护浇注效果有着紧密的联系，具体包括防止稳态和非稳态浇注过程中的二次氧化和来源于空气渣耐材吲引流砂等的污 染.本文基于中间包钢液污染的来源和形式，引申出了长水口在这些方面可以起到的潜在作用，并回顾了长水口在连铸发展 早期的发明、工业实验效果和不断优化的历程.工业实践证实了长水口优良的保护浇注功能，但其实际效果与长水口的结构 和操作工艺紧密相关.因此，分析了不同的长水口结构（包括工业化的长水口和一些新的设计理念）对保护浇注的影响，重点 评述了喇叭型长水口在改善钢液洁净度和提高生产效率方面的优势.讨论了长水口的浸人深度和偏斜等操作工艺参数与保 护浇注之间的关系.结合新时期炼钢-连铸的发展形势，指出了未来长水口结构功能一体化的发展方向，具体表现在长寿化、 轻量化、多功能化和绿色化等方面 关键词连铸：保护浇注；中间包：长水口：结构功能一体化 分类号TF777 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes ZHANG Jiang-shan,LIU Qing,YANG Shu-feng,LI Jing-she State Key Laboratory of Advanced Metallurgy.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yangshufeng @ustb.edu.cn ABSTRACT The global steel yield heavily relies on the continuous-casting process in the modern steel industry.Thus,the implementation of protected teeming in continuous-casting tundish for high-quality clean steel production is essential.Ladle shroud is a refractory device that contains the teeming stream between ladle and tundish.The invention and application of the ladle shroud play a significant role in the development of continuous-casting technology and considerably influence the performance of protected teeming, including protecting molten steel from reoxidation and contamination from air/slag/refractory/ladle filler sand during both steady-state and transient casting periods (i.e.,first-heat filling,ladle change,and tundish emptying).In this review,the sources and forms of atmospheric contamination of molten steel in the tundish were addressed and the possible solutions to the problems encountered during the use of the ladle shroud were proposed by considering the invention,industrial trials,and progressive optimization in the early stage of the development of continuous casting.The ladle shroud has been proven to effectively protect the teeming stream,which,however,is closely associated with the structural design and operating practice.Thus,the effect of the structural design of the ladle shroud,including two types of industrialized ladle shroud and several new designs,on protected teeming was analyzed and the advantage of the trumpet- 收稿日期：2019-10-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(1974023片钢铁治金新技术国家重点实验室自主课题资助项目(41619001,41619025)：中央高校基 本科研业务费资助项目(FRF.TP.19-078A1):中国博士后科学基金资助项目(2019M660460)
长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 张江山，刘 青，杨树峰苣，李京社 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail：yangshufeng@ustb.edu.cn 摘 要 全球钢铁产品很大比例上是通过连铸工艺生产的，而中间包保护浇注是连铸生产高品质洁净钢的关键环节之一. 长 水口是连接于钢包和中间包之间的耐材质通道，长水口的发明和使用在连铸技术发展过程中起到了重要的作用，并与中间包 的保护浇注效果有着紧密的联系，具体包括防止稳态和非稳态浇注过程中的二次氧化和来源于空气/渣/耐材/引流砂等的污 染. 本文基于中间包钢液污染的来源和形式，引申出了长水口在这些方面可以起到的潜在作用，并回顾了长水口在连铸发展 早期的发明、工业实验效果和不断优化的历程. 工业实践证实了长水口优良的保护浇注功能，但其实际效果与长水口的结构 和操作工艺紧密相关. 因此，分析了不同的长水口结构（包括工业化的长水口和一些新的设计理念）对保护浇注的影响，重点 评述了喇叭型长水口在改善钢液洁净度和提高生产效率方面的优势. 讨论了长水口的浸入深度和偏斜等操作工艺参数与保 护浇注之间的关系. 结合新时期炼钢−连铸的发展形势，指出了未来长水口结构功能一体化的发展方向，具体表现在长寿化、 轻量化、多功能化和绿色化等方面. 关键词 连铸；保护浇注；中间包；长水口；结构功能一体化 分类号 TF777 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes ZHANG Jiang-shan，LIU Qing，YANG Shu-feng苣 ，LI Jing-she State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: yangshufeng@ustb.edu.cn ABSTRACT The global steel yield heavily relies on the continuous-casting process in the modern steel industry. Thus, the implementation of protected teeming in continuous-casting tundish for high-quality clean steel production is essential. Ladle shroud is a refractory device that contains the teeming stream between ladle and tundish. The invention and application of the ladle shroud play a significant role in the development of continuous-casting technology and considerably influence the performance of protected teeming, including protecting molten steel from reoxidation and contamination from air/slag/refractory/ladle filler sand during both steady-state and transient casting periods (i.e., first-heat filling, ladle change, and tundish emptying). In this review, the sources and forms of atmospheric contamination of molten steel in the tundish were addressed and the possible solutions to the problems encountered during the use of the ladle shroud were proposed by considering the invention, industrial trials, and progressive optimization in the early stage of the development of continuous casting. The ladle shroud has been proven to effectively protect the teeming stream, which, however, is closely associated with the structural design and operating practice. Thus, the effect of the structural design of the ladle shroud, including two types of industrialized ladle shroud and several new designs, on protected teeming was analyzed and the advantage of the trumpet- 收稿日期: 2019−10−15 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (51974023)；钢铁冶金新技术国家重点实验室自主课题资助项目（41619001，41619025）；中央高校基 本科研业务费资助项目（FRF-TP-19-078A1）；中国博士后科学基金资助项目（2019M660460） 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期：939−948，2020 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 8: 939−948, August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001; http://cje.ustb.edu.cn
940 工程科学学报，第42卷，第8期 shaped ladle shroud over the conventional ladle shroud in terms of production efficiency and molten steel cleanness was emphasized. The materials of the ladle shroud have also been progressively enhanced to prolong its service life and achieve a stable service performance.The influence of operational parameters,including the immersion depth of the ladle shroud in tundish and misalignment, was also discussed.On the basis of current research and development work in the steelmaking continuous-casting field,the future development direction of the ladle shroud was identified to be structure-function integration,characterized by long service life,light- weight,multifunction,and eco-friendly manufacturing KEY WORDS continuous casting:protected teeming;tundish;ladle shroud;structure-function integration 现代装备和器件服役环境的日益严苛对钢铁 支熔融石英长水口，为上钢一厂的连铸坯质量控 材料的成分和性能提出了更为苛刻的要求.近些 制开创了新局面：其指出，我国自主研发的熔融石 年，我国高品质特殊钢冶炼-连铸技术取得了长足 英和铝-碳长水口的诞生“使我国连铸生产技术水 的进步，各类精炼工艺（如LF、RH和VD)的广泛 平大大的前进了一步”山 使用使得精炼后的钢液洁净度达到了很高的水 在几十年的连铸技术发展过程中，长水口的 平.例如，国内轴承钢洁净度、特别是总氧的控制 材料、结构和操作工艺不断升级，在提高连铸生产 水平已经接近国际先进水平(T[O]质量分数≤5× 效率和改善钢液质量方面起到了重要作用.然而， 10)山然而，与国外先进的特殊钢产品相比，我 长水口的使用也存在一定的局限性，其结构设计 国大型夹杂物的控制水平仍有较大差距，轴承钢 和操作工艺仍需不断的优化.本文基于连铸不同 的最大夹杂物尺寸有时可达国际先进水平的4倍， 阶段的中间包钢液污染形式，评述了长水口在中 严重制约了特殊钢产品的性能提升和稳定性服 间包保护浇注过程中的作用，总结了其从无到有、 役.诸多研究结果表明-，钢液从钢包进入中间 再到多功能化的演变过程，并指出了炼钢-连铸新 包后，中间包有时没有起到净化钢液的作用，反而 形势下长水口-中间包保护浇注所面临的挑战和 会引入大型夹杂物，且该现象在中间包非稳态浇 发展趋势 注过程中尤为明显.因此，中间包钢液的保护浇注 1 中间包钢液污染的主要来源和形式 是洁净钢生产的一个关键环节 钢包长水口是连接于钢包和中间包之间的耐 钢液由钢包进入中间包过程中的主要冶金现 材质管道，其发明起源于对钢液保护浇注的需求， 象如图1所示，钢液的流动依次经过钢包座砖、上 在连铸发展早期起到了重要的作用.连续铸钢技 水口、滑动水口、下水口和钢包长水口，然后进入 术在20世纪50年代步人工业实验阶段，并于80年 中间包熔池内.其中，钢液的流量通过调整滑动 代日趋成熟.最初的连铸机在钢包和中间包之间 水口的开度来调节.中间包内的钢液流动为湍流 并无长水口，即采用敞开浇注的方式.敞开浇注 运动的范畴，同时涉及到包括钢液-氩气-渣-耐 时，钢液流股呈现出间断、扭曲和粗糙的轮廓，这 材-夹杂物等在内的多相和多组元的高温物理化 大大增加了钢液与空气的接触面积而被二次氧 学反应 化；同时，敞开浇注的流股冲击到中间包内会引起 图2所示为一个连铸浇次不同时期的中间 熔池的飞溅，极易发生钢液的卷渣和二次氧化现 包液位和入口流量变化的示意图（其中Q表示流 象对A1-Si脱氧钢连铸过程中大型夹杂物的统 量大小).连铸过程整体可以分为非稳态浇注和 计结果表明-，敞开浇注时中间包内大型夹杂物 稳态浇注两个阶段，非稳态浇注主要包括第一个 的量是钢包内的2.5倍，所有大型夹杂物来源中， 钢包炉次的开浇、更换钢包、更换水口和最后 钢包到中间包阶段钢流的污染占了约40%.长水 一炉钢包的浇注结束；稳态浇注的主要特点是中 口的发明很好的解决了这一问题，大大减少了钢 间包液位和钢水流量维持在一个相对稳定的水 液从钢包到中间包传输过程的污染问题，Demasi 平，中间包保护浇注主要涉及五种钢液污染形 和Hartmann!9以及Whitmorelo于20世纪70年代 式：引流砂的注入、吸气、覆盖剂卷入、耐材侵蚀 对比研究了有无长水口情况下的钢液洁净度，也 和钢包下渣.不同浇注时期的钢液被污染的形 都证实了长水口在保护浇注方面的积极作用.我 式也有所不同，如图3所示，污染程度为：开浇> 国有关长水口的研究也起步较早，曹尔仙)所在 换钢包>浇次结束>换水口>稳态浇注，下文将具 的青岛耐火材料厂于1973年4月制备了我国第一 体详述
shaped ladle shroud over the conventional ladle shroud in terms of production efficiency and molten steel cleanness was emphasized. The materials of the ladle shroud have also been progressively enhanced to prolong its service life and achieve a stable service performance. The influence of operational parameters, including the immersion depth of the ladle shroud in tundish and misalignment, was also discussed. On the basis of current research and development work in the steelmaking continuous-casting field, the future development direction of the ladle shroud was identified to be structure–function integration, characterized by long service life, lightweight, multifunction, and eco-friendly manufacturing. KEY WORDS continuous casting；protected teeming；tundish；ladle shroud；structure–function integration 现代装备和器件服役环境的日益严苛对钢铁 材料的成分和性能提出了更为苛刻的要求. 近些 年，我国高品质特殊钢冶炼−连铸技术取得了长足 的进步，各类精炼工艺（如 LF、RH 和 VD）的广泛 使用使得精炼后的钢液洁净度达到了很高的水 平. 例如，国内轴承钢洁净度、特别是总氧的控制 水平已经接近国际先进水平（T[O] 质量分数≤5× 10−6） [1] . 然而，与国外先进的特殊钢产品相比，我 国大型夹杂物的控制水平仍有较大差距，轴承钢 的最大夹杂物尺寸有时可达国际先进水平的 4 倍[1] ， 严重制约了特殊钢产品的性能提升和稳定性服 役. 诸多研究结果表明[2−5] ，钢液从钢包进入中间 包后，中间包有时没有起到净化钢液的作用，反而 会引入大型夹杂物，且该现象在中间包非稳态浇 注过程中尤为明显. 因此，中间包钢液的保护浇注 是洁净钢生产的一个关键环节. 钢包长水口是连接于钢包和中间包之间的耐 材质管道，其发明起源于对钢液保护浇注的需求， 在连铸发展早期起到了重要的作用. 连续铸钢技 术在 20 世纪 50 年代步入工业实验阶段，并于 80 年 代日趋成熟. 最初的连铸机在钢包和中间包之间 并无长水口，即采用敞开浇注的方式. 敞开浇注 时，钢液流股呈现出间断、扭曲和粗糙的轮廓，这 大大增加了钢液与空气的接触面积而被二次氧 化；同时，敞开浇注的流股冲击到中间包内会引起 熔池的飞溅，极易发生钢液的卷渣和二次氧化现 象[6] . 对 Al−Si 脱氧钢连铸过程中大型夹杂物的统 计结果表明[7−8] ，敞开浇注时中间包内大型夹杂物 的量是钢包内的 2.5 倍，所有大型夹杂物来源中， 钢包到中间包阶段钢流的污染占了约 40%. 长水 口的发明很好的解决了这一问题，大大减少了钢 液从钢包到中间包传输过程的污染问题，Demasi 和 Hartmann[9] 以及 Whitmore[10] 于 20 世纪 70 年代 对比研究了有无长水口情况下的钢液洁净度，也 都证实了长水口在保护浇注方面的积极作用. 我 国有关长水口的研究也起步较早，曹尔仙[11] 所在 的青岛耐火材料厂于 1973 年 4 月制备了我国第一 支熔融石英长水口，为上钢一厂的连铸坯质量控 制开创了新局面；其指出，我国自主研发的熔融石 英和铝−碳长水口的诞生“使我国连铸生产技术水 平大大的前进了一步” [11] . 在几十年的连铸技术发展过程中，长水口的 材料、结构和操作工艺不断升级，在提高连铸生产 效率和改善钢液质量方面起到了重要作用. 然而， 长水口的使用也存在一定的局限性，其结构设计 和操作工艺仍需不断的优化. 本文基于连铸不同 阶段的中间包钢液污染形式，评述了长水口在中 间包保护浇注过程中的作用，总结了其从无到有、 再到多功能化的演变过程，并指出了炼钢−连铸新 形势下长水口−中间包保护浇注所面临的挑战和 发展趋势. 1 中间包钢液污染的主要来源和形式 钢液由钢包进入中间包过程中的主要冶金现 象如图 1 所示，钢液的流动依次经过钢包座砖、上 水口、滑动水口、下水口和钢包长水口，然后进入 中间包熔池内. 其中，钢液的流量通过调整滑动 水口的开度来调节. 中间包内的钢液流动为湍流 运动的范畴，同时涉及到包括钢液‒氩气‒渣‒耐 材‒夹杂物等在内的多相和多组元的高温物理化 学反应. 图 2 所示为一个连铸浇次不同时期的中间 包液位和入口流量变化的示意图（其中 Q 表示流 量大小）. 连铸过程整体可以分为非稳态浇注和 稳态浇注两个阶段，非稳态浇注主要包括第一个 钢包炉次的开浇、更换钢包、更换水口和最后 一炉钢包的浇注结束；稳态浇注的主要特点是中 间包液位和钢水流量维持在一个相对稳定的水 平. 中间包保护浇注主要涉及五种钢液污染形 式：引流砂的注入、吸气、覆盖剂卷入、耐材侵蚀 和钢包下渣. 不同浇注时期的钢液被污染的形 式也有所不同，如图 3 所示，污染程度为：开浇> 换钢包>浇次结束>换水口>稳态浇注，下文将具 体详述. · 940 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期
张江山等：长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 941 Air (N2 O,) Flame Ladle bottom Bore/crack Powder layer Slide ga es Sintered laver Argon injection Ladle shroud Flux drops Liquid Tundish layer open eye "Ladle shroud Stopper Ladle Bubbles stream Inclusions Turbulence inhibitor undish pool 世 SEN (Submerged entry nozzle) 图1钢液由钢包传输到中间包过程中所发生的主要治金现象（修改自文献[12]） Fig.I Main metallurgical phenomena during the transfer of molten steel from ladle to tundish (modified from Ref.[12]) Steady Ladle Start state change 6 800 Multiple 20 heats 400 3 2 200 100020003000400050006000 Time/s 图2一个连铸浇次不同阶段的中间包液位和钢水注入流量变化 Fig.2 Variations of tundish pool level and inflow rate in the different stages of continuous casting First heat Ladle filler sand 染形式包括引流砂的注入、吸气和新涂中包内衬 casting 的冲刷侵蚀，是整个连铸过程中污染最为严重的 Ladle change Air absorption 阶段.Deng等l]的研究表明，IF(Interstitual free) Severity Tundish flux 钢生产过程中所浇注的头坯和第二个铸坯都受到 ranking Casting end entrainment 了开浇的严重污染，头坯中的大于50m夹杂物 Refractory Shroud chang erosion 的个数达到了每平方厘米1.621个 Steady state Ladle slag (2)换包 casting carry-over 换包阶段主要需要完成钢包回转台的旋转换 图3中间包不同浇注时期所发生的主要污染形式和污染严重程度 包、长水口的拆卸、清扫和安装，一般耗时约3min 排序 可以使得中间包恢复到稳态浇注液位.在整个浇 Fig.3 Contamination and its degree of severity in the different stages of 次中，换包的发生是周期性的，且涉及五种主要污 continuous casting 染形式.同时，所产生的受污染钢坯介于洁净度较 1.1连铸各阶段的特点 好的稳态连铸坯之间，较难对其位置进行精确识 连铸各阶段的特点如下： 别.因此，换包对钢液洁净度的影响程度仅次于开 (1)开浇 浇过程 开浇阶段（一个浇次的第一个炉次）一般会将 (3)浇次结束 水口滑板全开，以最大的流量（约为稳态浇注时的 个浇次的结束从最后一个钢包滑动水口的 2倍或更大)向中包内注入钢液，持续时间一般为 关闭开始计算，随后的中间包液位会逐渐下降，相 几分钟到十几分钟.在这一过程中，发生的主要污 应的铸坯拉速也会下降，液面波动也变得更加剧
1.1 连铸各阶段的特点 连铸各阶段的特点如下： （1）开浇. 开浇阶段（一个浇次的第一个炉次）一般会将 水口滑板全开，以最大的流量（约为稳态浇注时的 2 倍或更大）向中包内注入钢液，持续时间一般为 几分钟到十几分钟. 在这一过程中，发生的主要污 染形式包括引流砂的注入、吸气和新涂中包内衬 的冲刷侵蚀，是整个连铸过程中污染最为严重的 阶段. Deng 等[13] 的研究表明，IF（ Interstitual free） 钢生产过程中所浇注的头坯和第二个铸坯都受到 了开浇的严重污染，头坯中的大于 50 μm 夹杂物 的个数达到了每平方厘米 1.621 个. （2）换包. 换包阶段主要需要完成钢包回转台的旋转换 包、长水口的拆卸、清扫和安装，一般耗时约 3 min 可以使得中间包恢复到稳态浇注液位. 在整个浇 次中，换包的发生是周期性的，且涉及五种主要污 染形式. 同时，所产生的受污染钢坯介于洁净度较 好的稳态连铸坯之间，较难对其位置进行精确识 别. 因此，换包对钢液洁净度的影响程度仅次于开 浇过程. （3）浇次结束. 一个浇次的结束从最后一个钢包滑动水口的 关闭开始计算，随后的中间包液位会逐渐下降，相 应的铸坯拉速也会下降，液面波动也变得更加剧 Ladle bottom Argon injection Tundish open eye Ladle stream Slide gates Ladle shroud Ladle shroud Bubbles Turbulence inhibitor Air (N2 , O2 ) Flame Bore/crack Flux drops Powder layer Sintered layer SEN (Submerged entry nozzle) Liquid layer Stopper Inclusions Tundish pool 图 1 钢液由钢包传输到中间包过程中所发生的主要冶金现象（修改自文献 [12]） Fig.1 Main metallurgical phenomena during the transfer of molten steel from ladle to tundish (modified from Ref. [12]) 800 Start 600 400 200 0 5 6 3 4 2 1 0 0 3000 1000 5000 2000 4000 6000 0 Depth of tundish pool/mm Time/s Multiple heats …… …… Flow rate/(t·min−1 ) End Ladle change Steady state 2Q Q 图 2 一个连铸浇次不同阶段的中间包液位和钢水注入流量变化 Fig.2 Variations of tundish pool level and inflow rate in the different stages of continuous casting Severity ranking First heat casting Ladle change Casting end Shroud change Steady state casting Ladle filler sand Air absorption Tundish flux entrainment Refractory erosion Ladle slag carry-over 图 3 中间包不同浇注时期所发生的主要污染形式和污染严重程度 排序 Fig.3 Contamination and its degree of severity in the different stages of continuous casting 张江山等： 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 · 941 ·
942 工程科学学报，第42卷，第8期 烈].这一阶段需要关注的主要问题是防止钢包 混而卷人覆盖剂.最新的“插钉实验”结果表明， 下渣和中间包覆盖剂的漩涡卷入， 长水口附近渣眼处的钢液流速可达约0.8s,稳 (4)换长水口 态浇注时也存在将中包覆盖剂卷入熔池的风险.因 长水口偶尔会因为中途破损或连接处的匹配 此，有学者提出了特殊钢无覆盖剂生产的工艺四 不佳而需要更换，更换长水口时会造成敞开浇注， 1.3长水口与中间包保护浇注之间的关系 导致钢液裸露吸气和中包熔池的钢-覆盖剂的强 通过以上对不同浇注阶段特点的分析可知， 烈卷混，在短时间内造成严重的钢液污染.随着耐 各类钢液污染形式多数与长水口有着直接或者间 材品质和操作技术的进步，这类现象的发生频率 接的关系.首先，作为连接钢包和中间包之间的通 在逐渐降低 道，长水口的相关结构设计决定着其内部钢液的 (5)稳态浇注 流动形态，以及是否与空气接触；其次，长水口的 稳态浇注是连铸过程中最重要的部分，其时 结构设计与操作直接决定着其出口射流特征，也 长约占一个浇次的85%~90%.可能发生的钢液污 是中间包的入流特征，这一入流特征与中间包熔 染形式主要有长水口连接处的吸气、不合理流场 池注流区的湍流状态、钢液是否裸露、是否卷渣 导致的覆盖剂卷入和长时间的耐材侵蚀现象 和耐材的冲刷强度等紧密相关：另外，长水口的入 12各类污染形式的特点 流特征影响着整个中间包的流动和钢液混匀状 (1)引流砂卷入. 态，从而带来不同的夹杂物去除效果；再者，长水 引流砂在钢包开浇时会随钢液从钢包底部流 口内的钢液流动影响着吹入氩气的气泡动态形 出，每个炉次的引流砂质量可达约10kg,由粒度 貌、聚并破碎和流动轨迹.因此，长水口这一冶金 为0.1~1.5mm的氧化混合物（如铬砂）组成引 耐材部件与中间包内钢液-氩气-渣-耐材-夹杂物 流砂进入中间包熔池后可能成为钢液外来大型夹 等多组元体系的物理化学行为有着紧密的关系， 杂物的重要来源，近几年也得到了越来越多的关 注5-6 在钢液的保护浇注中起着重要的作用，值得治金 学者和工程师的足够重视.近几十年有关长水口 (2)耐材侵蚀 耐火材料在使用过程中承受着热、机械、化学 研究的发表文章数目如图4所示，从图中可以看 等冲击和损耗叨其中，冲刷侵蚀与钢液的流速直 出，文章数目整体呈增长的趋势，证明这一冶金部 接相关，有研究表明8，中包内的冲刷侵蚀位置由 件确实正在受到越来越多冶金工作者的关注22四 重到轻的排序为：湍流抑制器>冲击区包壁1/3处> 80 挡堰迎向钢液一侧>塞棒底部 Scopus (3)吸气 ·-CNKI Sum 空气无处不在，在任何有压力差的位置都可 50 能接触到钢液，而钢液中的强还原元素（如[A])会 0 与空气反应生产大型夹杂物，氨气也可以溶解到 钢液内.吸气的位置较易发生在水口的连接处四 201 和中间包渣眼处) 10 (4)钢包下渣 钢包浇注结束时可能会形成汇流漩涡将钢包 1974 1970 9 1980 2010-2014 2005-2009 2015-2019 顶渣卷入中间熔池内，从而造成钢液污染、水口侵 Time slot 蚀甚至堵塞0连铸过程中，生产品种钢时通常会 (注：图中Scopus数据源于关键词“ladle shroud"在2019-9-30的搜索 采用下渣检测手段进行“留钢操作”例如，某钢 结果：CNKI为中国知网以“长水口”为题目于2019-930的搜索结果) 厂150t钢包的余留钢液量为2~3t (Note:The Scopus data were obtained by searching "ladle shroud"as key word;the CNKI data were obtained by searching "ladle shroud" (5)覆盖剂卷入 as part of the title.The Scopus and CNKI data were 中包覆盖剂的主要作用在于钢液的保温、隔 accessed on September 30,2019) 绝空气和去除夹杂物.然而，在更换钢包和长水口 图4自20世纪70年代以来有关长水口研究的文章发表数目 时，可能会发生钢液流股和中间包熔池的剧烈卷 Fig.4 Number of publications related to ladle shroud since the 1970s
烈[13] . 这一阶段需要关注的主要问题是防止钢包 下渣和中间包覆盖剂的漩涡卷入. （4）换长水口. 长水口偶尔会因为中途破损或连接处的匹配 不佳而需要更换，更换长水口时会造成敞开浇注， 导致钢液裸露吸气和中包熔池的钢‒覆盖剂的强 烈卷混，在短时间内造成严重的钢液污染. 随着耐 材品质和操作技术的进步，这类现象的发生频率 在逐渐降低. （5）稳态浇注. 稳态浇注是连铸过程中最重要的部分，其时 长约占一个浇次的 85%～90%. 可能发生的钢液污 染形式主要有长水口连接处的吸气、不合理流场 导致的覆盖剂卷入和长时间的耐材侵蚀现象. 1.2 各类污染形式的特点 （1） 引流砂卷入. 引流砂在钢包开浇时会随钢液从钢包底部流 出，每个炉次的引流砂质量可达约 10 kg，由粒度 为 0.1～1.5 mm 的氧化混合物（如铬砂）组成[14] . 引 流砂进入中间包熔池后可能成为钢液外来大型夹 杂物的重要来源，近几年也得到了越来越多的关 注[15−16] . （2） 耐材侵蚀. 耐火材料在使用过程中承受着热、机械、化学 等冲击和损耗[17] . 其中，冲刷侵蚀与钢液的流速直 接相关，有研究表明[18] ，中包内的冲刷侵蚀位置由 重到轻的排序为：湍流抑制器>冲击区包壁 1/3 处> 挡堰迎向钢液一侧>塞棒底部. （3） 吸气. 空气无处不在，在任何有压力差的位置都可 能接触到钢液，而钢液中的强还原元素（如 [Al]）会 与空气反应生产大型夹杂物，氮气也可以溶解到 钢液内. 吸气的位置较易发生在水口的连接处[12] 和中间包渣眼处[19] . （4） 钢包下渣. 钢包浇注结束时可能会形成汇流漩涡将钢包 顶渣卷入中间熔池内，从而造成钢液污染、水口侵 蚀甚至堵塞[20] . 连铸过程中，生产品种钢时通常会 采用下渣检测手段进行“留钢操作” [4] . 例如，某钢 厂 150 t 钢包的余留钢液量为 2～3 t. （5） 覆盖剂卷入. 中包覆盖剂的主要作用在于钢液的保温、隔 绝空气和去除夹杂物. 然而，在更换钢包和长水口 时，可能会发生钢液流股和中间包熔池的剧烈卷 混而卷入覆盖剂. 最新的“插钉实验”结果表明[21] ， 长水口附近渣眼处的钢液流速可达约 0.8 m·s‒1，稳 态浇注时也存在将中包覆盖剂卷入熔池的风险. 因 此，有学者提出了特殊钢无覆盖剂生产的工艺[1] . 1.3 长水口与中间包保护浇注之间的关系 通过以上对不同浇注阶段特点的分析可知， 各类钢液污染形式多数与长水口有着直接或者间 接的关系. 首先，作为连接钢包和中间包之间的通 道，长水口的相关结构设计决定着其内部钢液的 流动形态，以及是否与空气接触；其次，长水口的 结构设计与操作直接决定着其出口射流特征，也 是中间包的入流特征，这一入流特征与中间包熔 池注流区的湍流状态、钢液是否裸露、是否卷渣 和耐材的冲刷强度等紧密相关；另外，长水口的入 流特征影响着整个中间包的流动和钢液混匀状 态，从而带来不同的夹杂物去除效果；再者，长水 口内的钢液流动影响着吹入氩气的气泡动态形 貌、聚并破碎和流动轨迹. 因此，长水口这一冶金 耐材部件与中间包内钢液‒氩气‒渣‒耐材‒夹杂物 等多组元体系的物理化学行为有着紧密的关系， 在钢液的保护浇注中起着重要的作用，值得冶金 学者和工程师的足够重视. 近几十年有关长水口 研究的发表文章数目如图 4 所示，从图中可以看 出，文章数目整体呈增长的趋势，证明这一冶金部 件确实正在受到越来越多冶金工作者的关注[12, 22] . 70 Scopus CNKI 60 Sum 80 50 30 40 20 10 0 1970−1974 2000−2004 2005−2009 1995−1999 2010−2014 1985−1989 1990−1994 1975−1979 1980−1984 2015−2019 Number of publication Time slot (注：图中 Scopus 数据源于关键词“ladle shroud”在 2019-9-30 的搜索 结果；CNKI 为中国知网以“长水口”为题目于 2019-9-30 的搜索结果) (Note: The Scopus data were obtained by searching “ladle shroud” as key word; the CNKI data were obtained by searching “ladle shroud” as part of the title. The Scopus and CNKI data were accessed on September 30, 2019) 图 4 自 20 世纪 70 年代以来有关长水口研究的文章发表数目 Fig.4 Number of publications related to ladle shroud since the 1970s · 942 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期
张江山等：长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 943 2长水口在中间包保护浇注中的作用 恒定，如图5(a)所示.该长水口具有结构简单、轻 便易操作和易于加工的优点，至今仍被很多钢铁 2.1长水口保护浇注的演变历程 企业使用.然而，直筒型长水口的一个主要缺点在 连铸发展初期，解决钢流污染的技术主要有 于无法实现浸入式开浇.浸入式开浇时，引流砂从 氩气密封法和钢包长水口.氩气密封法就是将钢流 钢包底部流出，长水口内腔形成负压会导致中间 穿过固定于中间包上的套管后再进入中间包，套 包内钢液倒灌进长水口内，加之钢包流出的钢液 管设有氩气的入口和出口来保持套管内的惰性气 的冲击，长水口碗部会形成较大的气压而导致钢 氛)有研究表明啊，氩气密封法能够有效地减少钢 液喷溅，甚至造成事故.然而，非浸入式开浇时，钢 液吸气并改善结晶器保护渣的性能.然而，氩气密 封法的氩气消耗量通常较大(650~1200Lmin2到)， 液流股从长水口冲出，会首先拍击到中间包的覆 飞溅的钢液在套管内壁沉积，且当钢流中卷有钢 盖剂上，导致冲击区钢液-覆盖剂的剧烈卷混，卷 入的覆盖剂与空气是开浇和换包阶段主要的污染 包渣时，具有正压力的氩气会将渣子打碎和乳化， 来源2 从而增加其卷入渣滴的风险.因此，氩气密封法没 有得到广泛的使用 钢包长水口的理念则在于将钢流密封在一个 较小的管道内来隔绝空气.长水口的结构和操作 相对简单，且与中间包的结构分离，在现代连铸工 艺中被广泛使用.有关长水口一个较早的研究可 见于1978年美国Burns Harbor的连铸车间的实验例， 研究人员采用熔融石英制作了48英寸和60英寸 的长水口，起到了良好的效果：中间包内的全氧量 从4×105~4.5×10减少到了2×105~2.5×10，冷 轧板成材率从85%提高到了97%.同时，长水口的 (a) (b) (c) 使用能够有效防止钢液飞溅、降低中间包的维护 图5已经工业化的长水口类型.(a)直简型；(b)喇叭型（类型1）： 成本和改善操作人员的安全条件.长水口的缺点 (c)喇叭型（类型2）. 在于每个钢包浇注结束都需要更换 Fig.5 Industrialized ladle shrouds:(a)conventional straight ladle 为了防止长水口连接处负压造成的空气吸 shroud;(b)type-1 trumpet ladle shroud;(c)type 2 trumpet-shaped ladle shroud 入，研究人员在长水口的碗部注人氩气来形成正 压.该发明最早见于1988年维苏威申请的专利 为了实现长水口的浸人式开浇，Becker和 (US4836508A).另外，长水口的本体材料也在不 Prabhu27于1989年2月在美国内陆钢铁公司开发 断升级，美国Burns Harbor厂最初同时尝试了石英 和使用了喇叭型长水口，其结构示意图如图5(b) 质和铝-碳质的长水口材料可，但由于铝-碳材料的 所示.喇叭型长水口的重要特征是出口处直径较 热裂问题而被放弃；我国1973年最初开发的长水 大，其容积较大；开浇时，喇叭型长水口内引流砂 口也为石英质的，寿命约为8h,并于1994年初首次 导致的负压头高度为45mm,约为对应的直筒型 成功研制了免预热铝碳长水口，使用寿命约为9h4! 长水口的1/5（直筒型的为217mm).因此，喇叭型 随着铝-碳耐火材料在原料、制备工艺、喷涂技术 的扩张段可以容纳更多的热空气和钢液，有助于 和制作装备等方面的不断升级，，免预热铝-碳 防止开浇时的倒灌和钢液喷溅.浸入式开浇后，钢 质耐火材料成为了现代连铸工艺中长水口的主导 液的洁净度得到了较为明显的提高，降低了该公 制备材料之一，其寿命甚至达到>40炉次李红 司冷轧厂的折叠缺陷，中间包下水口的堵塞问题 霞刀最近提出了基于长水口的功能分区设计碳含 也得以缓解 量不同的梯度复合结构，从而赋予了长水口防增 随后，冶金学者对喇叭型长水口的诸多优点 碳、高强度、耐热震和抗侵蚀的优异服役性能 进行了报道，主要体现在提高生产效率和钢液质 2.2长水口的结构设计与中间包保护浇注 量两个方面，其作用机制如图6所示例举例来 22.1工业化长水口 说，喇叭型长水口的出口速度较小，对中间包熔池 最初设计的长水口结构为直筒型的，即内腔 的冲击力较小，从而可以减轻对冲击区耐材的冲
2 长水口在中间包保护浇注中的作用 2.1 长水口保护浇注的演变历程 连铸发展初期，解决钢流污染的技术主要有 氩气密封法和钢包长水口. 氩气密封法就是将钢流 穿过固定于中间包上的套管后再进入中间包，套 管设有氩气的入口和出口来保持套管内的惰性气 氛[23] . 有研究表明[4] ，氩气密封法能够有效地减少钢 液吸气并改善结晶器保护渣的性能. 然而，氩气密 封法的氩气消耗量通常较大（650～1200 L·min−1[23] ）， 飞溅的钢液在套管内壁沉积，且当钢流中卷有钢 包渣时，具有正压力的氩气会将渣子打碎和乳化， 从而增加其卷入渣滴的风险. 因此，氩气密封法没 有得到广泛的使用. 钢包长水口的理念则在于将钢流密封在一个 较小的管道内来隔绝空气. 长水口的结构和操作 相对简单，且与中间包的结构分离，在现代连铸工 艺中被广泛使用. 有关长水口一个较早的研究可 见于 1978 年美国 Burns Harbor 的连铸车间的实验[9] . 研究人员采用熔融石英制作了 48 英寸和 60 英寸 的长水口，起到了良好的效果：中间包内的全氧量 从 4×10−5～4.5×10−5 减少到了 2×10−5～2.5×10−5，冷 轧板成材率从 85% 提高到了 97%. 同时，长水口的 使用能够有效防止钢液飞溅、降低中间包的维护 成本和改善操作人员的安全条件. 长水口的缺点 在于每个钢包浇注结束都需要更换. 为了防止长水口连接处负压造成的空气吸 入，研究人员在长水口的碗部注入氩气来形成正 压. 该发明最早见于 1988 年维苏威申请的专利 （US4836508A）. 另外，长水口的本体材料也在不 断升级，美国 Burns Harbor 厂最初同时尝试了石英 质和铝‒碳质的长水口材料[9] ，但由于铝‒碳材料的 热裂问题而被放弃；我国 1973 年最初开发的长水 口也为石英质的，寿命约为 8 h，并于 1994 年初首次 成功研制了免预热铝碳长水口，使用寿命约为 9 h[24] . 随着铝‒碳耐火材料在原料、制备工艺、喷涂技术 和制作装备等方面的不断升级[17, 24] ，免预热铝‒碳 质耐火材料成为了现代连铸工艺中长水口的主导 制备材料之一，其寿命甚至达到>40 炉次[25] . 李红 霞[17] 最近提出了基于长水口的功能分区设计碳含 量不同的梯度复合结构，从而赋予了长水口防增 碳、高强度、耐热震和抗侵蚀的优异服役性能. 2.2 长水口的结构设计与中间包保护浇注 2.2.1 工业化长水口 最初设计的长水口结构为直筒型的，即内腔 恒定，如图 5（a）所示. 该长水口具有结构简单、轻 便易操作和易于加工的优点，至今仍被很多钢铁 企业使用. 然而，直筒型长水口的一个主要缺点在 于无法实现浸入式开浇. 浸入式开浇时，引流砂从 钢包底部流出，长水口内腔形成负压会导致中间 包内钢液倒灌进长水口内，加之钢包流出的钢液 的冲击，长水口碗部会形成较大的气压而导致钢 液喷溅，甚至造成事故. 然而，非浸入式开浇时，钢 液流股从长水口冲出，会首先拍击到中间包的覆 盖剂上，导致冲击区钢液‒覆盖剂的剧烈卷混，卷 入的覆盖剂与空气是开浇和换包阶段主要的污染 来源[26] . 为了实现长水口的浸入式开浇 ， Becker 和 Prabhu[27] 于 1989 年 2 月在美国内陆钢铁公司开发 和使用了喇叭型长水口，其结构示意图如图 5（b） 所示. 喇叭型长水口的重要特征是出口处直径较 大，其容积较大；开浇时，喇叭型长水口内引流砂 导致的负压头高度为 45 mm，约为对应的直筒型 长水口的 1/5（直筒型的为 217 mm）. 因此，喇叭型 的扩张段可以容纳更多的热空气和钢液，有助于 防止开浇时的倒灌和钢液喷溅. 浸入式开浇后，钢 液的洁净度得到了较为明显的提高，降低了该公 司冷轧厂的折叠缺陷，中间包下水口的堵塞问题 也得以缓解. 随后，冶金学者对喇叭型长水口的诸多优点 进行了报道，主要体现在提高生产效率和钢液质 量两个方面，其作用机制如图 6 所示[28] . 举例来 说，喇叭型长水口的出口速度较小，对中间包熔池 的冲击力较小，从而可以减轻对冲击区耐材的冲 (a) (b) (c) 图 5 已经工业化的长水口类型. （a）直筒型；（b）喇叭型（类型 1）； （c）喇叭型（类型 2）. Fig.5 Industrialized ladle shrouds: (a) conventional straight ladle shroud; (b) type-1 trumpet ladle shroud; (c) type 2 trumpet-shaped ladle shroud 张江山等： 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 · 943 ·
944 工程科学学报，第42卷，第8期 Production efficiency Molten steel quality Benefits of the TLS Eliminate Alleviate Lessen slag Relief lining Better clogging flow backs entrapment erosion cleanness 食 食 育 Increased volume: Effect of Dissipated and Decreased Elongated plug and Contributing lower velocity; hot gas decreased impact forces mixing volume; mechanisms Upward and pockets of surface due to Relieved turbulence distorted flow the tip tutbulence dissipation of whole flow field 图6 文献中报道的喇叭型长水口的优点及其作用机制四 Fig.6 Advantages and related contributing mechanisms of the trumpet-shaped ladle shroudl 刷侵蚀，所获得的中包流动特征更加合理，中间包 报道 熔池更加平静29，活塞流的比例也更高280 2.3长水口的工艺操作与保护浇注 鉴于喇叭型长水口的诸多优点，目前其已经 长水口的工艺操作也与保护浇注的效果紧密 在欧洲、美国、日本和韩国等地区和国家得到了 相关，主要体现在长水口在中包熔池的浸入深度 广泛使用.我国的宝钢、首钢、莱钢和唐钢等钢铁 和水口的对中（倾斜）问题 企业也都采用了喇叭型长水口，其结构为图5(b) 2.3.1长水口的浸人深度 或(c)所示.喇叭型长水口在我国多数应用于对钢 使用喇叭型长水口开浇时，通常将其浸入中 液质量要求较高的钢种，如F钢和轴承钢，而在普 包熔池一个较浅的液位，然后打开滑板实现浸入 碳钢中还少有应用.喇叭型长水口虽然有诸多优 式开浇.稳态浇注时，长水口的浸入深度由中包熔 点，但需要合理的设计和使用才能最大程度的发 池深度、长水口长度和钢包的位置共同决定.从 挥其优点，喇叭段的高度和出口直径是需要重点 流体力学的角度考虑，长水口的浸入深度主要决 考虑的设计参数，其扩张角度过大时反而会引起 定长水口射流湍动能的耗散位置.具体来讲，长水 开浇或换包时的偏流和回流问题1-，增加二次 口的射流速度大于中包熔池内任意区域的流速， 氧化和卷渣的风险.另外，单支喇叭型长水口的质 射流冲击到中包后与熔池内钢液混合，湍动能得 量相对直筒型的较重（约重10%左右），操作不如 到耗散和减小.当浸入深度较浅时，射流耗散的位 直筒型的轻便：然而，随着耐火材料性能的提升和 置接近熔池表面，会引起中包液面的波动，甚至将 长水口把手自动控制技术的实现，喇叭型长水口 覆盖剂卷入中包熔池内.当长水口浸入深度较深 值得更为广泛的推广和应用，从而助力高品质钢 时，湍动能耗散的位置偏下，对中包底部耐材的冲 的稳定生产 刷会加重，同时向上返流的速度也会加大，可能将 2.22新型长水口结构 覆盖剂渣面排开，形成较大的渣层裸露7.当中包 冶金工作者除了优化已经工业化的长水口以 工作液位为800mm时，Zhang等IB7研究了不同浸 外，同时也在开发新型的钢包长水口.几种典型的 入深度(220~400mm)对中包熔池波动和渣眼大 新型长水口结构可见于文献[12]，其设计理念多数 小的影响，结果如图7所示，并最终确定了310mm 在于优化长水口和中间包内部的钢液流场，进而 的最佳浸入深度.此外，长水口的浸入深度还影响 提高钢液洁净度.例如，Solorio-Diaz等B别开发了 着整个中间包的熔池混匀情况：阮飞等B8的研究 一种自旋长水口，较早地提出了采用长水口来控 结果表明，随着长水口浸入深度的增加，中间包死 制中间包流场的理念；李宝宽团队开发了一种弯 区和活塞区体积呈减小的趋势，而混合区体积呈 管长水口，以此来促使电磁旋转中间包内的旋转 增加的趋势 流动B,Morales-Higa等B阿设计了一种由三个扩张 2.3.2长水口的偏斜问题 段组成的耗散型长水口，用以增加钢液的湍流耗 理想状况下是希望长水口能够垂直对中，且与 散，耗散型长水口的出口速度更小，可以缓解开浇 钢包下水口的连接能够密封紧实.然而，实际生产 时钢液-覆盖剂的卷混和空气的卷入，有利于钢液 中，钢包、回转台和中间包等都属于重型机械，其 的保护浇注而然而，这些新型长水口由于自身结 绝对的水平定位控制有一定难度，下水口的频繁更 构的复杂性和安全等问题，还未见工业应用的 换和水平移动以及长水口碗部的损耗等因素都容
刷侵蚀，所获得的中包流动特征更加合理，中间包 熔池更加平静[29] ，活塞流的比例也更高[28, 30] . 鉴于喇叭型长水口的诸多优点，目前其已经 在欧洲、美国、日本和韩国等地区和国家得到了 广泛使用. 我国的宝钢、首钢、莱钢和唐钢等钢铁 企业也都采用了喇叭型长水口，其结构为图 5（b） 或（c）所示. 喇叭型长水口在我国多数应用于对钢 液质量要求较高的钢种，如 IF 钢和轴承钢，而在普 碳钢中还少有应用. 喇叭型长水口虽然有诸多优 点，但需要合理的设计和使用才能最大程度的发 挥其优点，喇叭段的高度和出口直径是需要重点 考虑的设计参数，其扩张角度过大时反而会引起 开浇或换包时的偏流和回流问题[31−32] ，增加二次 氧化和卷渣的风险. 另外，单支喇叭型长水口的质 量相对直筒型的较重（约重 10% 左右），操作不如 直筒型的轻便；然而，随着耐火材料性能的提升和 长水口把手自动控制技术的实现，喇叭型长水口 值得更为广泛的推广和应用，从而助力高品质钢 的稳定生产. 2.2.2 新型长水口结构 冶金工作者除了优化已经工业化的长水口以 外，同时也在开发新型的钢包长水口. 几种典型的 新型长水口结构可见于文献 [12]，其设计理念多数 在于优化长水口和中间包内部的钢液流场，进而 提高钢液洁净度. 例如，Solorio-Díaz 等[33] 开发了 一种自旋长水口，较早地提出了采用长水口来控 制中间包流场的理念；李宝宽团队开发了一种弯 管长水口，以此来促使电磁旋转中间包内的旋转 流动[34] ；Morales-Higa 等[35] 设计了一种由三个扩张 段组成的耗散型长水口，用以增加钢液的湍流耗 散，耗散型长水口的出口速度更小，可以缓解开浇 时钢液–覆盖剂的卷混和空气的卷入，有利于钢液 的保护浇注[36] . 然而，这些新型长水口由于自身结 构的复杂性和安全等问题，还未见工业应用的 报道. 2.3 长水口的工艺操作与保护浇注 长水口的工艺操作也与保护浇注的效果紧密 相关，主要体现在长水口在中包熔池的浸入深度 和水口的对中（倾斜）问题. 2.3.1 长水口的浸入深度 使用喇叭型长水口开浇时，通常将其浸入中 包熔池一个较浅的液位，然后打开滑板实现浸入 式开浇. 稳态浇注时，长水口的浸入深度由中包熔 池深度、长水口长度和钢包的位置共同决定. 从 流体力学的角度考虑，长水口的浸入深度主要决 定长水口射流湍动能的耗散位置. 具体来讲，长水 口的射流速度大于中包熔池内任意区域的流速， 射流冲击到中包后与熔池内钢液混合，湍动能得 到耗散和减小. 当浸入深度较浅时，射流耗散的位 置接近熔池表面，会引起中包液面的波动，甚至将 覆盖剂卷入中包熔池内. 当长水口浸入深度较深 时，湍动能耗散的位置偏下，对中包底部耐材的冲 刷会加重，同时向上返流的速度也会加大，可能将 覆盖剂渣面排开，形成较大的渣层裸露[37] . 当中包 工作液位为 800 mm 时，Zhang 等[37] 研究了不同浸 入深度（220～400 mm）对中包熔池波动和渣眼大 小的影响，结果如图 7 所示，并最终确定了 310 mm 的最佳浸入深度. 此外，长水口的浸入深度还影响 着整个中间包的熔池混匀情况；阮飞等[38] 的研究 结果表明，随着长水口浸入深度的增加，中间包死 区和活塞区体积呈减小的趋势，而混合区体积呈 增加的趋势. 2.3.2 长水口的偏斜问题 理想状况下是希望长水口能够垂直对中，且与 钢包下水口的连接能够密封紧实. 然而，实际生产 中，钢包、回转台和中间包等都属于重型机械，其 绝对的水平定位控制有一定难度，下水口的频繁更 换和水平移动以及长水口碗部的损耗等因素都容 Benefits of the TLS Contributing mechanisms Production efficiency Molten steel quality Eliminate clogging Increased volume; lower velocity; Upward and distorted flow Alleviate flow backs Effect of hot gas pockets of the tip Lessen slag entrapment Dissipated and decreased surface tutbulence Relief lining erosion Decreased impact forces due to dissipation Better cleanness Elongated plug and mixing volume; Relieved turbulence of whole flow field 图 6 文献中报道的喇叭型长水口的优点及其作用机制[28] Fig.6 Advantages and related contributing mechanisms of the trumpet-shaped ladle shroud[28] · 944 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期
张江山等：长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 945· 0 (a) 250 (b) 35 30 200 25 -Immersion depth of shroud=220 mm 150 -310mm 15 Immersion depth of shroud=400 mm 100 -Immersion depth of shroud=220 mm -Immersion depth of shroud=310 mm o -Immersion depth of shroud-400 mm 50 5 0 0 1020304050607080 90 10 2030405060708090 Filling time of recasting/s Filling time of recasting/s 图7浇注过程中不同长水口浸入深度下中间包液位的波动(a)和渣眼大小的变化情况(b)切 Fig.7 Variations in the height difference(a)and exposed area of molten steel(b)under different filling times and immersion depths of shroud 易导致长水口的偏斜，如图8所示B9.Chattopadhyay 泛.从连铸操作工艺角度，可以通过尽可能地减少 等o指出，长水口偏斜程度会因工况而不同，但偏 钢包更换的时间或者在上一炉浇注结束时将中间 斜发生的比例较高，可达90%以上，是连铸生产中 包液位提升，从而缓解低液位时长水口偏斜带来 一个不可忽略的问题.长水口偏斜的危害主要体 的严重污染0另外，自动化和智能化识别技术是 现在四个方面：第一，碗部连接处容易密封不佳会 解决该偏斜问题的一个有效手段，镭目公司开发 导致空气吸入或局部应力过大而损坏长水口： 的机器人自动更换长水口机构是旋转自锁型的，其 第二，可能导致长水口的局部冲刷侵蚀和热应力 结构在一定程度上可以缓解长水口的偏移问题切 过大：第三，长水口出口射流偏斜会增加对中包液 Das等B9最近开发了一种图像识别技术来自动辨 面的切应力，从而增加卷渣和渣层裸露的风险o: 别长水口的偏斜程度和方位.韩国POSC0公司开发 第四，严重的长水口偏斜可能将射流冲击到中间 了一种带有扭矩传感器的长水口把手，可以实时监 包的无湍流抑制器区域（如图8所示），造成严重 测和调控长水口，使其尽可能地保持垂直对中) 的中包底部冲刷侵蚀和短路流的形成9 2.4长水口在中间包保护浇注过程中的多功能演进 为了改善长水口的偏斜问题，首先可以从机 随着连铸技术的发展和装备的不断升级，长 械结构的设计入手，替换图1所示双板式为如图9 水口在中间包保护浇注过程中呈现出功能多元化 所示的三板式滑动水口结构，这一设计可以避免 的发展趋势，主要体现在以下几个方面 下水口水平移动导致的偏斜问题四然而，三板式 (1)实施振动式下渣检测 的结构成本稍高，在浸入式水口中的应用更为广 在钢包浇注末期，钢包下渣会严重污染中间 Ladle Slide Gate Gasket Ladle Shroud Tundish open eye(TOE) Misalignment formation angle (6) Slag Short circuit flow Steel Tundish Impactpad Erosion Clogged SEN→P 图8长水口偏斜的示意图和所造成的不利影响网 Fig.8 Illustration of a misaligned ladle shroud and its hazards
易导致长水口的偏斜，如图 8 所示[39] . Chattopadhyay 等[40] 指出，长水口偏斜程度会因工况而不同，但偏 斜发生的比例较高，可达 90% 以上，是连铸生产中 一个不可忽略的问题. 长水口偏斜的危害主要体 现在四个方面：第一，碗部连接处容易密封不佳会 导致空气吸入或局部应力过大而损坏长水口[41] ； 第二，可能导致长水口的局部冲刷侵蚀和热应力 过大；第三，长水口出口射流偏斜会增加对中包液 面的切应力，从而增加卷渣和渣层裸露的风险[40] ； 第四，严重的长水口偏斜可能将射流冲击到中间 包的无湍流抑制器区域（如图 8 所示），造成严重 的中包底部冲刷侵蚀和短路流的形成[39] . 为了改善长水口的偏斜问题，首先可以从机 械结构的设计入手，替换图 1 所示双板式为如图 9 所示的三板式滑动水口结构，这一设计可以避免 下水口水平移动导致的偏斜问题[42] . 然而，三板式 的结构成本稍高，在浸入式水口中的应用更为广 泛. 从连铸操作工艺角度，可以通过尽可能地减少 钢包更换的时间或者在上一炉浇注结束时将中间 包液位提升，从而缓解低液位时长水口偏斜带来 的严重污染[40] . 另外，自动化和智能化识别技术是 解决该偏斜问题的一个有效手段，镭目公司开发 的机器人自动更换长水口机构是旋转自锁型的，其 结构在一定程度上可以缓解长水口的偏移问题[43] . Das 等[39] 最近开发了一种图像识别技术来自动辨 别长水口的偏斜程度和方位. 韩国 POSCO 公司开发 了一种带有扭矩传感器的长水口把手，可以实时监 测和调控长水口，使其尽可能地保持垂直对中[41] . 2.4 长水口在中间包保护浇注过程中的多功能演进 随着连铸技术的发展和装备的不断升级，长 水口在中间包保护浇注过程中呈现出功能多元化 的发展趋势，主要体现在以下几个方面. （1）实施振动式下渣检测. 在钢包浇注末期，钢包下渣会严重污染中间 35 30 40 25 15 20 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Height difference of steel level/mm Filling time of recasting/s Immersion depth of shroud=400 mm (a) Immersion depth of shroud=220 mm Immersion depth of shroud=310 mm 250 200 150 50 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Exposed area of steel/cm2 Filling time of recasting/s Immersion depth of shroud=400 mm (b) Immersion depth of shroud=220 mm Immersion depth of shroud=310 mm 图 7 浇注过程中不同长水口浸入深度下中间包液位的波动（a）和渣眼大小的变化情况（b） [37] Fig.7 Variations in the height difference (a) and exposed area of molten steel (b) under different filling times and immersion depths of shroud[37] Ladle Slide Gate Ladle Shroud Gasket Tundish open eye (TOE) formation Misalignment angle (θ) Slag Steel Tundish Impactpad Erosion Clogged SEN Short circuit flow Air (O2 , N2 ) 图 8 长水口偏斜的示意图和所造成的不利影响[39] Fig.8 Illustration of a misaligned ladle shroud and its hazards[39] 张江山等： 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 · 945 ·
946 工程科学学报，第42卷，第8期 Well block. 力和湍动能耗散率.从公式(1)可以看出，高的湍 流耗散率会促使细小气泡的形成，文献中所报道 Fixed plate Upper nozzle 的耗散型长水口B和自旋长水口B)有望在这方 面发挥积极作用，但是仍然缺乏实验的论证 (3)解决引流砂的污染问题 Slide plate 有关引流砂进入钢液后的污染问题，实际生 Combined tube holder 产中尚未有很好的解决方案刚.由于引流砂会首 图9三板式的滑动水口结构 先经过长水口而后进入中包熔池内，长水口必然 Fig.9 Schematic of the three-plate sliding gate 成为了一个解决引流砂污染问题的突破口，主要 包熔池的钢液.为了快速识别下渣现象的发生，常 体现在以下两方面：一是在长水口下方设计导流 用的钢包下渣检测技术有电磁检测、重量检测和 槽，用以避免开浇时引流砂进入中包熔池内，然 超声检测等其中，电磁检测技术以其高精度和 而，这种方法往往带来强烈的钢液飞溅，不利于安 高敏感性的优点而得到广泛应用.然而，电磁检测 全生产；二是设计合适的长水口和中间包控流装 通常需要较高的建造和维护成本，装置结构复杂 置，提高引流砂在中间包内的上浮去除效率，此 且寿命较低.日本学者最早于20世纪80年代在 外，东北大学的高翱等开发了电磁引流技术，通 川崎钢铁公司提出了“振动式下渣检测”技术，该 过感应加热来融化上水口的铁碳合金，从而实现 技术通过在长水口把手上安装振动感应装置，利 钢包底部的开浇：该技术有望取代引流砂，但实际 用钢液和钢渣对长水口带来的振动信号差来识别 生产中仍然存在电路布置和使用寿命等问题 钢包渣的卷人，进而及时关闭滑动水口防止卷渣糊 3总结和展望 实际上，连铸发展早期操作工人会通过手摸长水 口操作臂或一个紧贴长水口的铁棒来感受长水口 长水口的发明始于对钢液保护浇注的需求， 振动的变化.振动式感应器则能提供更可靠的准 其使用很好地起到了防止钢液二次氧化和卷渣的 确度，该检测手段对漏斗形钢渣漩涡具有较好的 作用，在钢液连铸的发展历程中起到了重要作用 敏感度，设备较易安装和维护，已经在很多企业得 连铸不同时期的中间包钢液污染形式几乎都与长 到了应用 水口有着直接和间接的关系，引起了越来越多冶 (2)生成弥散气泡去除夹杂物 金工作者的关注.近些年来，长水口在材料、结构 长水口碗部吹人氩气不仅能够防止连接处吸 和工艺操作等方面都在不断升级.新型长水口结 入空气，形成的气泡也是去除钢中夹杂物的一种 构的设计，尤其是喇叭型长水口的开发和应用实 有效手段.气泡尺寸越小，其比表面积越大，在一 现了浸入式开浇，有效地缓解了开浇时的严重卷 定范围内对捕捉夹杂物也越有利.尺寸较大的气 渣和吸气.通过实验研究可以获得相对合理的长 泡会降低与夹杂物碰撞的几率，同时可能会引起 水口浸入深度范围.长水口偏斜的发生频率较高， 中间包较为明显的液面波动.因此，实际生产中希 偏斜严重时会大大增加中间包保护浇注的困难， 望可以获得尺寸较小且弥散的气泡.实验结果表 相应的解决方案可以从结构设计、连铸工艺优 明6-)，长水口内的氩气泡尺寸主要分布在几百 化、长水口位置的自动识别和控制角度来实现. 微米到几毫米之间.气泡的尺寸与气体入口尺 随着连铸技术的发展，耐火材料担负着更多 寸、润湿性、钢液性质和气泡与钢液的相对速度 的冶金任务，长水口的冶金功能也在变得更为多 等因素有关8-恻另外，气泡尺寸与液体的湍流强 元化，如钢包下渣检测、形成弥散气泡和防止引流 砂污染等.长水口的未来发展将兼顾其结构设计 度密切相关，两者之间比较定量化的公式表述可 和多种冶金功能的实现，即呈现出结构功能一体 以参考Evans等so的研究结果，最大气泡尺寸可 化的发展趋势，但其首要任务仍然是钢液的保护 以表述为： 浇注.新时代炼钢-连铸背景下，连铸中间包保护 10.6 We×c×103 dmax (e×10)-0.4×10-2 (1) 浇注面临着两个新命题5)：一是建设以恒拉速/高 2p×10-3/3 拉速连铸为核心的高效率、低成本洁净钢生产体 式中：dmax是气泡在流体内的最大稳定尺寸；We 系；二是在工艺稳定基础上，促使现有产品质量和 是韦伯数；p为流体密度；和ε分别为液体表面张 稳定性的提高.具体来讲，恒拉速高拉速的实现
包熔池的钢液. 为了快速识别下渣现象的发生，常 用的钢包下渣检测技术有电磁检测、重量检测和 超声检测等[44] . 其中，电磁检测技术以其高精度和 高敏感性的优点而得到广泛应用. 然而，电磁检测 通常需要较高的建造和维护成本，装置结构复杂 且寿命较低. 日本学者最早于 20 世纪 80 年代在 川崎钢铁公司提出了“振动式下渣检测”技术，该 技术通过在长水口把手上安装振动感应装置，利 用钢液和钢渣对长水口带来的振动信号差来识别 钢包渣的卷入，进而及时关闭滑动水口防止卷渣[45] . 实际上，连铸发展早期操作工人会通过手摸长水 口操作臂或一个紧贴长水口的铁棒来感受长水口 振动的变化. 振动式感应器则能提供更可靠的准 确度，该检测手段对漏斗形钢渣漩涡具有较好的 敏感度，设备较易安装和维护，已经在很多企业得 到了应用[44] . （2）生成弥散气泡去除夹杂物. 长水口碗部吹入氩气不仅能够防止连接处吸 入空气，形成的气泡也是去除钢中夹杂物的一种 有效手段. 气泡尺寸越小，其比表面积越大，在一 定范围内对捕捉夹杂物也越有利. 尺寸较大的气 泡会降低与夹杂物碰撞的几率，同时可能会引起 中间包较为明显的液面波动. 因此，实际生产中希 望可以获得尺寸较小且弥散的气泡. 实验结果表 明[46−47] ，长水口内的氩气泡尺寸主要分布在几百 微米到几毫米之间. 气泡的尺寸与气体入口尺 寸、润湿性、钢液性质和气泡与钢液的相对速度 等因素有关[48−49] . 另外，气泡尺寸与液体的湍流强 度密切相关，两者之间比较定量化的公式表述可 以参考 Evans 等[50] 的研究结果，最大气泡尺寸可 以表述为： dmax = We×σ×103 2(ρ×10−3 ) 1/3 0.6 (ε×10)−0.4 ×10−2 （1） 式中：dmax 是气泡在流体内的最大稳定尺寸；We 是韦伯数；ρ 为流体密度；σ 和 ε 分别为液体表面张 力和湍动能耗散率. 从公式（1）可以看出，高的湍 流耗散率会促使细小气泡的形成，文献中所报道 的耗散型长水口[35] 和自旋长水口[33] 有望在这方 面发挥积极作用，但是仍然缺乏实验的论证. （3）解决引流砂的污染问题. 有关引流砂进入钢液后的污染问题，实际生 产中尚未有很好的解决方案[51] . 由于引流砂会首 先经过长水口而后进入中包熔池内，长水口必然 成为了一个解决引流砂污染问题的突破口，主要 体现在以下两方面：一是在长水口下方设计导流 槽，用以避免开浇时引流砂进入中包熔池内[52] ，然 而，这种方法往往带来强烈的钢液飞溅，不利于安 全生产；二是设计合适的长水口和中间包控流装 置，提高引流砂在中间包内的上浮去除效率[15] . 此 外，东北大学的高翱等[51] 开发了电磁引流技术，通 过感应加热来融化上水口的铁碳合金，从而实现 钢包底部的开浇；该技术有望取代引流砂，但实际 生产中仍然存在电路布置和使用寿命等问题. 3 总结和展望 长水口的发明始于对钢液保护浇注的需求， 其使用很好地起到了防止钢液二次氧化和卷渣的 作用，在钢液连铸的发展历程中起到了重要作用. 连铸不同时期的中间包钢液污染形式几乎都与长 水口有着直接和间接的关系，引起了越来越多冶 金工作者的关注. 近些年来，长水口在材料、结构 和工艺操作等方面都在不断升级. 新型长水口结 构的设计，尤其是喇叭型长水口的开发和应用实 现了浸入式开浇，有效地缓解了开浇时的严重卷 渣和吸气. 通过实验研究可以获得相对合理的长 水口浸入深度范围. 长水口偏斜的发生频率较高， 偏斜严重时会大大增加中间包保护浇注的困难， 相应的解决方案可以从结构设计、连铸工艺优 化、长水口位置的自动识别和控制角度来实现. 随着连铸技术的发展，耐火材料担负着更多 的冶金任务，长水口的冶金功能也在变得更为多 元化，如钢包下渣检测、形成弥散气泡和防止引流 砂污染等. 长水口的未来发展将兼顾其结构设计 和多种冶金功能的实现，即呈现出结构功能一体 化的发展趋势，但其首要任务仍然是钢液的保护 浇注. 新时代炼钢‒连铸背景下，连铸中间包保护 浇注面临着两个新命题[53] ：一是建设以恒拉速/高 拉速连铸为核心的高效率、低成本洁净钢生产体 系；二是在工艺稳定基础上，促使现有产品质量和 稳定性的提高. 具体来讲，恒拉速/高拉速的实现 Well block Fixed plate Upper nozzle Slide plate Combined tube holder 图 9 三板式的滑动水口结构 Fig.9 Schematic of the three-plate sliding gate · 946 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期
张江山等：长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 947. 需要钢包-中间包一结晶器之间的有机衔接和匹 (曹尔仙.连铸用浸入式长水口的发展.钢铁，1982,17(9)：14) 配，其中高拉速会导致整个中间包熔池湍流强度 [12]Zhang J S,Liu Q,Yang S F,et al.Advances in ladle shroud as a 的增加（尤其对于容量较小的中间包），从而增加 functional device in tundish metallurgy:a review.IS1/Int,2019, 59(7):1167 相应的吸气、卷渣和耐材侵蚀等风险.喇叭型长 [13]Deng XX,Ji C X,Zhu G S,et al.Quantitative evaluations of 水口是一个可以缓解中间包冲击区湍流强度的有 surface cleanliness in IF steel slabs at unsteady casting.Metall 效手段，其作用类似于结晶器内电磁制动的“刹 Mater Trans B,2019,50(4):1974 车”作用2刚，通过合理的设计和使用可以获得较好 [14]Deng Z Y,Zhu M Y.Ladle filler sand:An important source of 的保护浇注效果，值得钢铁生产企业的推广使用 macro-inclusions in steell/Proceedings of 11th China Iron Steel 再者，有关工艺和产品质量的稳定性控制，一方面 Annual Meeting.Beijing,2017:274 (邓志银，朱苗勇.引流砂：钢中大型夹杂物的重要来源/第十一 需要加强稳态浇注过程中的规范化操作和管理， 届中国钢铁年会.北京，2017：274) 避免长水口过度倾斜和“渣眼”等现象的出现，另 [15]Zhang C,Zhou L,Zhu L Y,et al.Experimental analysis of 一方面应该给予非稳态浇注过程足够的重视，从 drainage sand behavior during conversion process during the 结构设计和优化操作工艺角度改善换包等过程中 change of ladle.Steelmaking,2018,34(4):35 出现的钢液严重污染和产品质量降级问题 (张闯，周俐，朱李艳，等.换包过程引流砂行为的试验分析.炼 钢，2018,34(4)：35) 参考文献 [16]Ren S B,Qin B,Zhang F.Study on packing sand movement in [1]Liu L.Key production-technology for high-quality special steel tunnel type tundish.Continuous Cast,2019,44(1):10 (任三兵，秦波，张丰.通道式中间包内引流砂运动过程研究连 ron Steel,201&,53(4):1 铸，2019,44(1)：10) (刘浏.高品质特殊钢关键生产技术.钢铁，2018,53(4)：1) [17]Li H X.Development overview of refractory materials.J Inorg [2]Li SS,Zhang L F,Ren Y,et al.Transient behavior of inclusions Maer,2018,33(2):198 during reoxidation of Si-killed stainless steels in continuous (李红霞，耐火材料发展概述.无机材料学报，2018,33(2)：198) casting tundish./S//Int,2016,56(4):584 [18]Zhang M J,Huang A,Gu H Z,et al.Flow control devices [3]Wang Y F,Zhang L F.Transient fluid flow phenomena during establishment and erosion corrosion of refractory in the continuous continuous casting:part II -cast speed change,temperature casting tundish.J Wuhan Uniy Sci Technol,2010,33(5):449 fluctuation,and steel grade mixing./S//Int,2010,50(12):1783 (张美杰，黄奥，顾华志，等.连铸中间包耐火材料的冲蚀特性与 [4]Sahai Y,Emi T.Tundish Technology for Clean Steel Production. 控流装置的优化设置.武汉科技大学学报，2010,33(5)：449) Singapore:World Scientific,2007 [19]Chatterjee S,Li D H,Chattopadhyay K.Tundish open eye [5]Cai KK.Quality Control of Continuous Casting Blank.Beijing: formation:a trivial event with dire consequences.Steel Res Int, Metallurgical Industry Press,2010 2017,88(9):1600436 (蔡开科.连铸坯质量控制.北京：冶金工业出版社，2010) [20]Tang H Y,Liang Y C.Formation mechanism and influence factors [6]Little J,Van Oosten M,McLean A.Factors affecting the of sink vortex during ladle teeming.Acta Metall Sin,2016,52(5): reoxydation of molten steel during continuous casting.Can Metall 519 0,1968,7(4):235 (唐海燕，梁永昌.钢包浇注末期汇流旋涡形成机理及彩响因素 [7]Sommerville I,McKeogh E.Reoxidation of steel by air entrained 金属学报，2016,52(5)：519) during casting /Continuous Casting of Steel,Second Process [21]Leung J,Li D H,Chattopadhyay K.Nailed it!Measurement of Technology Conference.Warrendale,1981:256 steel surface velocity in the tundish with open eyes /A/STech [8]Li K.Preparation and Application of New-Style Sealing Member 2019--Proceedings of the Iron Steel Technology Conference. for Continous Casting Noczle [Dissertation].Shenyang: Pittsburgh,2019:1467 Northeastern University,2008 [22]Zhang C J,Bao Y P,Wang M,et al.Teeming stream protection (李凯.新型连铸水口密封元件的制备及应用[学位论文1.沈阳： using an argon shroud during casting of steel ingots.Int/Miner 东北大学，2008) Me1 all Mater,2017,24(1):47 [9]Demasi G A.Hartmann R F.Development of the ladle shroud [23]Kasai N,Yamazoe H,Iguchi M.Development of optimum argon mechanism and its metallurgical benefits /Steelmaking shrouding system between ladle and tundish.Tetsu-to-Hagane, Conference Proceedings.Warrendale,1981:245 2005,91(10):763 [10]Whitmore B C.Oxide segregation in aluminum-killed strand cast [24]Zhou C S.Ping Z.F.Production and Use of Refractory for steel slabs.Iron Steelmaker,1978.5(10):34 Continuous Casting Monolithic Stopper.Long No-le and [11]Cao E X.Development of submerged nozzles in continuous Submersed Nozle.Beijing:Metallurgical Industry Press,2014 casting.Iron Steel,1982,17(9):14 (周川生，平增幅.连铸“三大件”生产与使用：整体塞棒、长水
需要钢包‒中间包‒结晶器之间的有机衔接和匹 配，其中高拉速会导致整个中间包熔池湍流强度 的增加（尤其对于容量较小的中间包），从而增加 相应的吸气、卷渣和耐材侵蚀等风险. 喇叭型长 水口是一个可以缓解中间包冲击区湍流强度的有 效手段，其作用类似于结晶器内电磁制动的“刹 车”作用[28] ，通过合理的设计和使用可以获得较好 的保护浇注效果，值得钢铁生产企业的推广使用. 再者，有关工艺和产品质量的稳定性控制，一方面 需要加强稳态浇注过程中的规范化操作和管理， 避免长水口过度倾斜和“渣眼”等现象的出现，另 一方面应该给予非稳态浇注过程足够的重视，从 结构设计和优化操作工艺角度改善换包等过程中 出现的钢液严重污染和产品质量降级问题. 参 考 文 献 Liu L. Key production-technology for high-quality special steel. Iron Steel, 2018, 53（4）: 1 （刘浏. 高品质特殊钢关键生产技术. 钢铁, 2018, 53（4）：1） [1] Li S S, Zhang L F, Ren Y, et al. Transient behavior of inclusions during reoxidation of Si-killed stainless steels in continuous casting tundish. ISIJ Int, 2016, 56（4）: 584 [2] Wang Y F, Zhang L F. Transient fluid flow phenomena during continuous casting: part II —cast speed change, temperature fluctuation, and steel grade mixing. ISIJ Int, 2010, 50（12）: 1783 [3] Sahai Y, Emi T. Tundish Technology for Clean Steel Production. Singapore: World Scientific, 2007 [4] Cai K K. Quality Control of Continuous Casting Blank. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2010 （蔡开科. 连铸坯质量控制. 北京: 冶金工业出版社, 2010） [5] Little J, Van Oosten M, McLean A. Factors affecting the reoxydation of molten steel during continuous casting. Can Metall Q, 1968, 7（4）: 235 [6] Sommerville I, McKeogh E. Reoxidation of steel by air entrained during casting // Continuous Casting of Steel, Second Process Technology Conference. Warrendale, 1981: 256 [7] Li K. Preparation and Application of New-Style Sealing Member for Continuous Casting Nozzle [Dissertation]. Shenyang: Northeastern University, 2008 （李凯. 新型连铸水口密封元件的制备及应用[学位论文]. 沈阳: 东北大学, 2008） [8] Demasi G A, Hartmann R F. Development of the ladle shroud mechanism and its metallurgical benefits // Steelmaking Conference Proceedings. Warrendale, 1981: 245 [9] Whitmore B C. Oxide segregation in aluminum-killed strand cast steel slabs. Iron Steelmaker, 1978, 5（10）: 34 [10] Cao E X. Development of submerged nozzles in continuous casting. Iron Steel, 1982, 17（9）: 14 [11] （曹尔仙. 连铸用浸入式长水口的发展. 钢铁, 1982, 17（9）：14） Zhang J S, Liu Q, Yang S F, et al. Advances in ladle shroud as a functional device in tundish metallurgy: a review. ISIJ Int, 2019, 59（7）: 1167 [12] Deng X X, Ji C X, Zhu G S, et al. Quantitative evaluations of surface cleanliness in IF steel slabs at unsteady casting. Metall Mater Trans B, 2019, 50（4）: 1974 [13] Deng Z Y, Zhu M Y. Ladle filler sand: An important source of macro-inclusions in steel// Proceedings of 11th China Iron & Steel Annual Meeting. Beijing, 2017: 274 （邓志银, 朱苗勇. 引流砂: 钢中大型夹杂物的重要来源// 第十一 届中国钢铁年会. 北京, 2017: 274） [14] Zhang C, Zhou L, Zhu L Y, et al. Experimental analysis of drainage sand behavior during conversion process during the change of ladle. Steelmaking, 2018, 34（4）: 35 （张闯, 周俐, 朱李艳, 等. 换包过程引流砂行为的试验分析. 炼 钢, 2018, 34（4）：35） [15] Ren S B, Qin B, Zhang F. Study on packing sand movement in tunnel type tundish. Continuous Cast, 2019, 44（1）: 10 （任三兵, 秦波, 张丰. 通道式中间包内引流砂运动过程研究. 连 铸, 2019, 44（1）：10） [16] Li H X. Development overview of refractory materials. J Inorg Mater, 2018, 33（2）: 198 （李红霞. 耐火材料发展概述. 无机材料学报, 2018, 33（2）：198） [17] Zhang M J, Huang A, Gu H Z, et al. Flow control devices establishment and erosion corrosion of refractory in the continuous casting tundish. J Wuhan Univ Sci Technol, 2010, 33（5）: 449 （张美杰, 黄奥, 顾华志, 等. 连铸中间包耐火材料的冲蚀特性与 控流装置的优化设置. 武汉科技大学学报, 2010, 33（5）：449） [18] Chatterjee S, Li D H, Chattopadhyay K. Tundish open eye formation: a trivial event with dire consequences. Steel Res Int, 2017, 88（9）: 1600436 [19] Tang H Y, Liang Y C. Formation mechanism and influence factors of sink vortex during ladle teeming. Acta Metall Sin, 2016, 52（5）: 519 （唐海燕, 梁永昌. 钢包浇注末期汇流旋涡形成机理及影响因素. 金属学报, 2016, 52（5）：519） [20] Leung J, Li D H, Chattopadhyay K. Nailed it! Measurement of steel surface velocity in the tundish with open eyes // AISTech 2019——Proceedings of the Iron & Steel Technology Conference. Pittsburgh, 2019: 1467 [21] Zhang C J, Bao Y P, Wang M, et al. Teeming stream protection using an argon shroud during casting of steel ingots. Int J Miner Metall Mater, 2017, 24（1）: 47 [22] Kasai N, Yamazoe H, Iguchi M. Development of optimum argon shrouding system between ladle and tundish. Tetsu-to-Hagane, 2005, 91（10）: 763 [23] Zhou C S, Ping Z F. Production and Use of Refractory for Continuous Casting Monolithic Stopper, Long Nozzle and Submersed Nozzle. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2014 （周川生, 平增幅. 连铸“三大件”生产与使用: 整体塞棒、长水 [24] 张江山等： 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 · 947 ·