长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 张江山刘青杨树峰李京社 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes ZHANG Jiang-shan,LIU Qing.YANG Shu-feng.LI Jing-she 引用本文： 张江山，刘青，杨树峰，李京社.长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展.工程科学学报，2020,42(8)：939-948. doi10.13374j.issn2095-9389.2019.10.15.001 ZHANG Jiang-shan,LIU Qing.YANG Shu-feng,LI Jing-she.Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(8):939-948.doi: 10.13374-issn2095-9389.2019.10.15.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.15.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting 工程科学学报.2019,41(1：12htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.002 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 Subsurface hooks in continuous casting slabs of low-carbon steel 工程科学学报.2017,392：251 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2017.02.013 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报.2019,41(2：199 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.006 基于无网格伽辽金法的连铸坯凝固计算方法 Calculation of continuous casting billet solidification based on element-free Galerkin method 工程科学学报.2020,42(2：186 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.02.02.001 添加A山203-Z02复合粉改性氧化锆质定径水口及其损毁机理 Damage mechanism of zirconia metering nozzles modified by Al,O-ZrO,composite powder 工程科学学报.2017,392：202htps:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.02.006 超低碳钢连铸坯钩状坯壳的演变与夹杂物的捕集 Hook evolution and inclusion entrapment of ultralow-carbon steel slabs 工程科学学报.2018,409：外1065 https::1doi.org10.13374斩.issn2095-9389.2018.09.007

长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 张江山 刘青 杨树峰 李京社 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes ZHANG Jiang-shan, LIU Qing, YANG Shu-feng, LI Jing-she 引用本文: 张江山, 刘青, 杨树峰, 李京社. 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展[J]. 工程科学学报, 2020, 42(8): 939-948. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001 ZHANG Jiang-shan, LIU Qing, YANG Shu-feng, LI Jing-she. Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(8): 939-948. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(1): 12 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.002 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 Subsurface hooks in continuous casting slabs of low-carbon steel 工程科学学报. 2017, 39(2): 251 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.013 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(2): 199 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.006 基于无网格伽辽金法的连铸坯凝固计算方法 Calculation of continuous casting billet solidification based on element-free Galerkin method 工程科学学报. 2020, 42(2): 186 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.02.001 添加Al2 O3 -ZrO2复合粉改性氧化锆质定径水口及其损毁机理 Damage mechanism of zirconia metering nozzles modified by Al2 O3 -ZrO2 composite powder 工程科学学报. 2017, 39(2): 202 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.006 超低碳钢连铸坯钩状坯壳的演变与夹杂物的捕集 Hook evolution and inclusion entrapment of ultralow-carbon steel slabs 工程科学学报. 2018, 40(9): 1065 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.007

工程科学学报.第42卷，第8期：939-948.2020年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.8:939-948,August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001;http://cje.ustb.edu.cn 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 张江山，刘青，杨树峰区，李京社 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yangshufeng@ustb.edu.cn 摘要全球钢铁产品很大比例上是通过连铸工艺生产的，而中间包保护浇注是连铸生产高品质洁净钢的关键环节之一，长 水口是连接于钢包和中间包之间的耐材质通道，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吲引流砂等的污 染.本文基于中间包钢液污染的来源和形式，引申出了长水口在这些方面可以起到的潜在作用，并回顾了长水口在连铸发展 早期的发明、工业实验效果和不断优化的历程.工业实践证实了长水口优良的保护浇注功能，但其实际效果与长水口的结构 和操作工艺紧密相关.因此，分析了不同的长水口结构（包括工业化的长水口和一些新的设计理念）对保护浇注的影响，重点 评述了喇叭型长水口在改善钢液洁净度和提高生产效率方面的优势.讨论了长水口的浸人深度和偏斜等操作工艺参数与保 护浇注之间的关系.结合新时期炼钢-连铸的发展形势，指出了未来长水口结构功能一体化的发展方向，具体表现在长寿化、 轻量化、多功能化和绿色化等方面 关键词连铸：保护浇注；中间包：长水口：结构功能一体化 分类号TF777 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes ZHANG Jiang-shan,LIU Qing,YANG Shu-feng,LI Jing-she State Key Laboratory of Advanced Metallurgy.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yangshufeng @ustb.edu.cn ABSTRACT The global steel yield heavily relies on the continuous-casting process in the modern steel industry.Thus,the implementation of protected teeming in continuous-casting tundish for high-quality clean steel production is essential.Ladle shroud is a refractory device that contains the teeming stream between ladle and tundish.The invention and application of the ladle shroud play a significant role in the development of continuous-casting technology and considerably influence the performance of protected teeming, including protecting molten steel from reoxidation and contamination from air/slag/refractory/ladle filler sand during both steady-state and transient casting periods (i.e.,first-heat filling,ladle change,and tundish emptying).In this review,the sources and forms of atmospheric contamination of molten steel in the tundish were addressed and the possible solutions to the problems encountered during the use of the ladle shroud were proposed by considering the invention,industrial trials,and progressive optimization in the early stage of the development of continuous casting.The ladle shroud has been proven to effectively protect the teeming stream,which,however,is closely associated with the structural design and operating practice.Thus,the effect of the structural design of the ladle shroud,including two types of industrialized ladle shroud and several new designs,on protected teeming was analyzed and the advantage of the trumpet- 收稿日期：2019-10-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(1974023片钢铁治金新技术国家重点实验室自主课题资助项目(41619001,41619025)：中央高校基 本科研业务费资助项目(FRF.TP.19-078A1):中国博士后科学基金资助项目(2019M660460)

长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 张江山，刘    青，杨树峰苣，李京社 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail：yangshufeng@ustb.edu.cn 摘    要    全球钢铁产品很大比例上是通过连铸工艺生产的，而中间包保护浇注是连铸生产高品质洁净钢的关键环节之一. 长 水口是连接于钢包和中间包之间的耐材质通道，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. 本文基于中间包钢液污染的来源和形式，引申出了长水口在这些方面可以起到的潜在作用，并回顾了长水口在连铸发展 早期的发明、工业实验效果和不断优化的历程. 工业实践证实了长水口优良的保护浇注功能，但其实际效果与长水口的结构 和操作工艺紧密相关. 因此，分析了不同的长水口结构（包括工业化的长水口和一些新的设计理念）对保护浇注的影响，重点 评述了喇叭型长水口在改善钢液洁净度和提高生产效率方面的优势. 讨论了长水口的浸入深度和偏斜等操作工艺参数与保 护浇注之间的关系. 结合新时期炼钢−连铸的发展形势，指出了未来长水口结构功能一体化的发展方向，具体表现在长寿化、 轻量化、多功能化和绿色化等方面. 关键词    连铸；保护浇注；中间包；长水口；结构功能一体化 分类号    TF777 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes ZHANG Jiang-shan，LIU Qing，YANG Shu-feng苣 ，LI Jing-she State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: yangshufeng@ustb.edu.cn ABSTRACT    The  global  steel  yield  heavily  relies  on  the  continuous-casting  process  in  the  modern  steel  industry.  Thus,  the implementation of protected teeming in continuous-casting tundish for high-quality clean steel production is essential. Ladle shroud is a refractory device that contains the teeming stream between ladle and tundish. The invention and application of the ladle shroud play a significant role in the development of continuous-casting technology and considerably influence the performance of protected teeming, including protecting molten steel from reoxidation and contamination from air/slag/refractory/ladle filler sand during both steady-state and  transient  casting  periods  (i.e.,  first-heat  filling,  ladle  change,  and  tundish  emptying).  In  this  review,  the  sources  and  forms  of atmospheric contamination of molten steel in the tundish were addressed and the possible solutions to the problems encountered during the use of the ladle shroud were proposed by considering the invention, industrial trials, and progressive optimization in the early stage of the development of continuous casting. The ladle shroud has been proven to effectively protect the teeming stream, which, however, is closely associated with the structural design and operating practice. Thus, the effect of the structural design of the ladle shroud, including two types of industrialized ladle shroud and several new designs, on protected teeming was analyzed and the advantage of the trumpet- 收稿日期: 2019−10−15 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (51974023)；钢铁冶金新技术国家重点实验室自主课题资助项目（41619001，41619025）；中央高校基 本科研业务费资助项目（FRF-TP-19-078A1）；中国博士后科学基金资助项目（2019M660460） 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期：939−948，2020 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 8: 939−948, August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001; http://cje.ustb.edu.cn

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

张江山等：长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 941 Air (N2 O,) Flame Ladle bottom Bore/crack Powder layer Slide ga es Sintered laver Argon injection Ladle shroud Flux drops Liquid Tundish layer open eye "Ladle shroud Stopper Ladle Bubbles stream Inclusions Turbulence inhibitor undish pool 世 SEN (Submerged entry nozzle) 图1钢液由钢包传输到中间包过程中所发生的主要治金现象（修改自文献[12]） Fig.I Main metallurgical phenomena during the transfer of molten steel from ladle to tundish (modified from Ref.[12]) Steady Ladle Start state change 6 800 Multiple 20 heats 400 3 2 200 100020003000400050006000 Time/s 图2一个连铸浇次不同阶段的中间包液位和钢水注入流量变化 Fig.2 Variations of tundish pool level and inflow rate in the different stages of continuous casting First heat Ladle filler sand 染形式包括引流砂的注入、吸气和新涂中包内衬 casting 的冲刷侵蚀，是整个连铸过程中污染最为严重的 Ladle change Air absorption 阶段.Deng等l]的研究表明，IF(Interstitual free) Severity Tundish flux 钢生产过程中所浇注的头坯和第二个铸坯都受到 ranking Casting end entrainment 了开浇的严重污染，头坯中的大于50m夹杂物 Refractory Shroud chang erosion 的个数达到了每平方厘米1.621个 Steady state Ladle slag (2)换包 casting carry-over 换包阶段主要需要完成钢包回转台的旋转换 图3中间包不同浇注时期所发生的主要污染形式和污染严重程度 包、长水口的拆卸、清扫和安装，一般耗时约3min 排序 可以使得中间包恢复到稳态浇注液位.在整个浇 Fig.3 Contamination and its degree of severity in the different stages of 次中，换包的发生是周期性的，且涉及五种主要污 continuous casting 染形式.同时，所产生的受污染钢坯介于洁净度较 1.1连铸各阶段的特点 好的稳态连铸坯之间，较难对其位置进行精确识 连铸各阶段的特点如下： 别.因此，换包对钢液洁净度的影响程度仅次于开 (1)开浇 浇过程 开浇阶段（一个浇次的第一个炉次）一般会将 (3)浇次结束 水口滑板全开，以最大的流量（约为稳态浇注时的 个浇次的结束从最后一个钢包滑动水口的 2倍或更大)向中包内注入钢液，持续时间一般为 关闭开始计算，随后的中间包液位会逐渐下降，相 几分钟到十几分钟.在这一过程中，发生的主要污 应的铸坯拉速也会下降，液面波动也变得更加剧

1.1    连铸各阶段的特点 连铸各阶段的特点如下： （1）开浇. 开浇阶段（一个浇次的第一个炉次）一般会将 水口滑板全开，以最大的流量（约为稳态浇注时的 2 倍或更大）向中包内注入钢液，持续时间一般为 几分钟到十几分钟. 在这一过程中，发生的主要污 染形式包括引流砂的注入、吸气和新涂中包内衬 的冲刷侵蚀，是整个连铸过程中污染最为严重的 阶段. Deng 等[13] 的研究表明，IF（ Interstitual free） 钢生产过程中所浇注的头坯和第二个铸坯都受到 了开浇的严重污染，头坯中的大于 50 μm 夹杂物 的个数达到了每平方厘米 1.621 个. （2）换包. 换包阶段主要需要完成钢包回转台的旋转换 包、长水口的拆卸、清扫和安装，一般耗时约 3 min 可以使得中间包恢复到稳态浇注液位. 在整个浇 次中，换包的发生是周期性的，且涉及五种主要污 染形式. 同时，所产生的受污染钢坯介于洁净度较 好的稳态连铸坯之间，较难对其位置进行精确识 别. 因此，换包对钢液洁净度的影响程度仅次于开 浇过程. （3）浇次结束. 一个浇次的结束从最后一个钢包滑动水口的 关闭开始计算，随后的中间包液位会逐渐下降，相 应的铸坯拉速也会下降，液面波动也变得更加剧 Ladle bottom Argon injection Tundish open eye Ladle stream Slide gates Ladle shroud Ladle shroud Bubbles Turbulence inhibitor Air (N2 , O2 ) Flame Bore/crack Flux drops Powder layer Sintered layer SEN (Submerged entry nozzle) Liquid layer Stopper Inclusions Tundish pool 图 1    钢液由钢包传输到中间包过程中所发生的主要冶金现象（修改自文献 [12]） Fig.1    Main metallurgical phenomena during the transfer of molten steel from ladle to tundish (modified from Ref. [12]) 800 Start 600 400 200 0 5 6 3 4 2 1 0 0 3000 1000 5000 2000 4000 6000 0 Depth of tundish pool/mm Time/s Multiple heats …… …… Flow rate/(t·min−1 ) End Ladle change Steady state 2Q Q 图 2    一个连铸浇次不同阶段的中间包液位和钢水注入流量变化 Fig.2    Variations of tundish pool level and inflow rate in the different stages of continuous casting Severity ranking First heat casting Ladle change Casting end Shroud change Steady state casting Ladle filler sand Air absorption Tundish flux entrainment Refractory erosion Ladle slag carry-over 图 3    中间包不同浇注时期所发生的主要污染形式和污染严重程度 排序 Fig.3    Contamination and its degree of severity in the different stages of continuous casting 张江山等： 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 · 941 ·

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