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 ·