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, 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 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