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