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