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