长水口是连接于钢包和中间包之间的耐材质通道，轻质保温砖 长水口的发明和使用在连铸技术发展过程中起到了重要的作用，并与中间包的保护浇注效果有着紧密的联系，具体包括防止稳态和非稳态浇注过程中的二次氧化和来源于空气/渣/耐材/引流砂等的污染。

 

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。有研究表明，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(650～1200L?min-1)，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BurnsHarbor的连铸车间的实验。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BurnsHarbor厂最初同时尝试了石英质和铝?碳质的长水口材料，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8h，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9h。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，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。李红霞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、长水口的结构设计与中间包保护浇注

 

2.1工业化长水口

 

最初设计的长水口结构为直筒型的，山东耐火砖 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。蓝冠平台内部消息浸入式开浇时，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。

 

为了实现长水口的浸入式开浇，Becker和Prabhu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45mm，约为对应的直筒型长水口的1/5(直筒型的为217mm)。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。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，活塞流的比例也更高。

 

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，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，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;Morales-Higa等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。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。

 

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。

 

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。当中包工作液位为800mm时，Zhang等研究了不同浸入深度(220～400mm)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310mm的浸入深度。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。

 

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易导致长水口的偏斜，如图8所示。Chattopadhyay等指出，长水口偏斜程度会因工况而不同，但偏斜发生的比例较高，可达90%以上，是连铸生产中一个不可忽略的问题。长水口偏斜的危害主要体现在四个方面：，碗部连接处容易密封不佳会导致空气吸入或局部应力过大而损坏长水口;第二，可能导致长水口的局部冲刷侵蚀和热应力过大;第三，长水口出口射流偏斜会增加对中包液面的切应力，从而增加卷渣和渣层裸露的风险;第四，严重的长水口偏斜可能将射流冲击到中间包的无湍流抑制器区域，造成严重的中包底部冲刷侵蚀和短路流的形成。

 

为了改善长水口的偏斜问题，首先可以从机械结构的设计入手，替换图1所示双板式为如图9所示的三板式滑动水口结构，这一设计可以避免下水口水平移动导致的偏斜问题。然而，三板式的结构成本稍高，在浸入式水口中的应用更为广泛。从连铸操作工艺角度，可以通过尽可能地减少钢包更换的时间或者在上一炉浇注结束时将中间包液位提升，从而缓解低液位时长水口偏斜带来的严重污染。另外，自动化和智能化识别技术是解决该偏斜问题的一个有效手段，镭目公司开发的机器人自动更换长水口机构是旋转自锁型的，其结构在一定程度上可以缓解长水口的偏移问题。Das等最近开发了一种图像识别技术来自动辨别长水口的偏斜程度和方位。韩国POSCO公司开发了一种带有扭矩传感器的长水口把手，可以实时监测和调控长水口，使其尽可能地保持垂直对中。

 

4、长水口在中间包保护浇注过程中的多功能演进

 

随着连铸技术的发展和装备的不断升级，长水口在中间包保护浇注过程中呈现出功能多元化的发展趋势，主要体现在以下几个方面。

 

(1)实施振动式下渣检测。

 

在钢包浇注末期，钢包下渣会严重污染中间包熔池的钢液。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。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。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。

 

(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， 保温材料生产厂家 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，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。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等的研究结果，气泡尺寸可以表述为：

 

(1)

式中：dmax是气泡在流体内的稳定尺寸;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。蓝冠娱乐平台排行从公式(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和自旋长水口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。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，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。此外，东北大学的高翱等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。

 

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