長水口對連鑄中間包鋼液保護(hù)澆注作用的研究進(jìn)展

張江山，劉 青，楊樹峰，李京社

北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

現(xiàn)代裝備和器件服役環(huán)境的日益嚴(yán)苛對鋼鐵材料的成分和性能提出了更為苛刻的要求. 近些年，我國高品質(zhì)特殊鋼冶煉?連鑄技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，各類精煉工藝（如LF、RH和VD）的廣泛使用使得精煉后的鋼液潔凈度達(dá)到了很高的水平. 例如，國內(nèi)軸承鋼潔凈度、特別是總氧的控制水平已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平（T[O]質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5×10?6）[1]. 然而，與國外先進(jìn)的特殊鋼產(chǎn)品相比，我國大型夾雜物的控制水平仍有較大差距，軸承鋼的最大夾雜物尺寸有時(shí)可達(dá)國際先進(jìn)水平的4倍[1]，嚴(yán)重制約了特殊鋼產(chǎn)品的性能提升和穩(wěn)定性服役. 諸多研究結(jié)果表明[2?5]，鋼液從鋼包進(jìn)入中間包后，中間包有時(shí)沒有起到凈化鋼液的作用，反而會引入大型夾雜物，且該現(xiàn)象在中間包非穩(wěn)態(tài)澆注過程中尤為明顯. 因此，中間包鋼液的保護(hù)澆注是潔凈鋼生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).

鋼包長水口是連接于鋼包和中間包之間的耐材質(zhì)管道，其發(fā)明起源于對鋼液保護(hù)澆注的需求，在連鑄發(fā)展早期起到了重要的作用. 連續(xù)鑄鋼技術(shù)在20世紀(jì)50年代步入工業(yè)實(shí)驗(yàn)階段，并于80年代日趨成熟. 最初的連鑄機(jī)在鋼包和中間包之間并無長水口，即采用敞開澆注的方式. 敞開澆注時(shí)，鋼液流股呈現(xiàn)出間斷、扭曲和粗糙的輪廓，這大大增加了鋼液與空氣的接觸面積而被二次氧化；同時(shí)，敞開澆注的流股沖擊到中間包內(nèi)會引起熔池的飛濺，極易發(fā)生鋼液的卷渣和二次氧化現(xiàn)象[6]. 對Al?Si脫氧鋼連鑄過程中大型夾雜物的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[7?8]，敞開澆注時(shí)中間包內(nèi)大型夾雜物的量是鋼包內(nèi)的2.5倍，所有大型夾雜物來源中，鋼包到中間包階段鋼流的污染占了約40%. 長水口的發(fā)明很好的解決了這一問題，大大減少了鋼液從鋼包到中間包傳輸過程的污染問題，Demasi和Hartmann[9]以及 Whitmore[10]于20世紀(jì) 70年代對比研究了有無長水口情況下的鋼液潔凈度，也都證實(shí)了長水口在保護(hù)澆注方面的積極作用. 我國有關(guān)長水口的研究也起步較早，曹爾仙[11]所在的青島耐火材料廠于1973年4月制備了我國第一支熔融石英長水口，為上鋼一廠的連鑄坯質(zhì)量控制開創(chuàng)了新局面；其指出，我國自主研發(fā)的熔融石英和鋁?碳長水口的誕生“使我國連鑄生產(chǎn)技術(shù)水平大大的前進(jìn)了一步”[11].

在幾十年的連鑄技術(shù)發(fā)展過程中，長水口的材料、結(jié)構(gòu)和操作工藝不斷升級，在提高連鑄生產(chǎn)效率和改善鋼液質(zhì)量方面起到了重要作用. 然而，長水口的使用也存在一定的局限性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作工藝仍需不斷的優(yōu)化. 本文基于連鑄不同階段的中間包鋼液污染形式，評述了長水口在中間包保護(hù)澆注過程中的作用，總結(jié)了其從無到有、再到多功能化的演變過程，并指出了煉鋼?連鑄新形勢下長水口?中間包保護(hù)澆注所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢.

1 中間包鋼液污染的主要來源和形式

鋼液由鋼包進(jìn)入中間包過程中的主要冶金現(xiàn)象如圖1所示，鋼液的流動依次經(jīng)過鋼包座磚、上水口、滑動水口、下水口和鋼包長水口，然后進(jìn)入中間包熔池內(nèi). 其中，鋼液的流量通過調(diào)整滑動水口的開度來調(diào)節(jié). 中間包內(nèi)的鋼液流動為湍流運(yùn)動的范疇，同時(shí)涉及到包括鋼液-氬氣-渣-耐材-夾雜物等在內(nèi)的多相和多組元的高溫物理化學(xué)反應(yīng).

圖2所示為一個(gè)連鑄澆次不同時(shí)期的中間包液位和入口流量變化的示意圖（其中Q表示流量大小）. 連鑄過程整體可以分為非穩(wěn)態(tài)澆注和穩(wěn)態(tài)澆注兩個(gè)階段，非穩(wěn)態(tài)澆注主要包括第一個(gè)鋼包爐次的開澆、更換鋼包、更換水口和最后一爐鋼包的澆注結(jié)束；穩(wěn)態(tài)澆注的主要特點(diǎn)是中間包液位和鋼水流量維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的水平. 中間包保護(hù)澆注主要涉及五種鋼液污染形式：引流砂的注入、吸氣、覆蓋劑卷入、耐材侵蝕和鋼包下渣. 不同澆注時(shí)期的鋼液被污染的形式也有所不同，如圖3所示，污染程度為：開澆>換鋼包>澆次結(jié)束>換水口>穩(wěn)態(tài)澆注，下文將具體詳述.

圖1 鋼液由鋼包傳輸?shù)街虚g包過程中所發(fā)生的主要冶金現(xiàn)象（修改自文獻(xiàn)[12]）Fig.1 Main metallurgical phenomena during the transfer of molten steel from ladle to tundish (modified from Ref. [12])

圖2 一個(gè)連鑄澆次不同階段的中間包液位和鋼水注入流量變化Fig.2 Variations of tundish pool level and inflow rate in the different stages of continuous casting

圖3 中間包不同澆注時(shí)期所發(fā)生的主要污染形式和污染嚴(yán)重程度排序Fig.3 Contamination and its degree of severity in the different stages of continuous casting

1.1 連鑄各階段的特點(diǎn)

連鑄各階段的特點(diǎn)如下：

（1）開澆.

開澆階段（一個(gè)澆次的第一個(gè)爐次）一般會將水口滑板全開，以最大的流量（約為穩(wěn)態(tài)澆注時(shí)的2倍或更大）向中包內(nèi)注入鋼液，持續(xù)時(shí)間一般為幾分鐘到十幾分鐘. 在這一過程中，發(fā)生的主要污染形式包括引流砂的注入、吸氣和新涂中包內(nèi)襯的沖刷侵蝕，是整個(gè)連鑄過程中污染最為嚴(yán)重的階段. Deng 等[13]的研究表明，IF（Interstitual free）鋼生產(chǎn)過程中所澆注的頭坯和第二個(gè)鑄坯都受到了開澆的嚴(yán)重污染，頭坯中的大于50 μm夾雜物的個(gè)數(shù)達(dá)到了每平方厘米1.621個(gè).

（2）換包.

換包階段主要需要完成鋼包回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)換包、長水口的拆卸、清掃和安裝，一般耗時(shí)約3 min可以使得中間包恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)澆注液位. 在整個(gè)澆次中，換包的發(fā)生是周期性的，且涉及五種主要污染形式. 同時(shí)，所產(chǎn)生的受污染鋼坯介于潔凈度較好的穩(wěn)態(tài)連鑄坯之間，較難對其位置進(jìn)行精確識別. 因此，換包對鋼液潔凈度的影響程度僅次于開澆過程.

（3）澆次結(jié)束.

一個(gè)澆次的結(jié)束從最后一個(gè)鋼包滑動水口的關(guān)閉開始計(jì)算，隨后的中間包液位會逐漸下降，相應(yīng)的鑄坯拉速也會下降，液面波動也變得更加劇烈[13]. 這一階段需要關(guān)注的主要問題是防止鋼包下渣和中間包覆蓋劑的漩渦卷入.

（4）換長水口.

長水口偶爾會因?yàn)橹型酒茡p或連接處的匹配不佳而需要更換，更換長水口時(shí)會造成敞開澆注，導(dǎo)致鋼液裸露吸氣和中包熔池的鋼-覆蓋劑的強(qiáng)烈卷混，在短時(shí)間內(nèi)造成嚴(yán)重的鋼液污染. 隨著耐材品質(zhì)和操作技術(shù)的進(jìn)步，這類現(xiàn)象的發(fā)生頻率在逐漸降低.

（5）穩(wěn)態(tài)澆注.

穩(wěn)態(tài)澆注是連鑄過程中最重要的部分，其時(shí)長約占一個(gè)澆次的85%～90%. 可能發(fā)生的鋼液污染形式主要有長水口連接處的吸氣、不合理流場導(dǎo)致的覆蓋劑卷入和長時(shí)間的耐材侵蝕現(xiàn)象.

1.2 各類污染形式的特點(diǎn)

（1） 引流砂卷入.

引流砂在鋼包開澆時(shí)會隨鋼液從鋼包底部流出，每個(gè)爐次的引流砂質(zhì)量可達(dá)約10 kg，由粒度為 0.1～1.5 mm 的氧化混合物（如鉻砂）組成[14]. 引流砂進(jìn)入中間包熔池后可能成為鋼液外來大型夾雜物的重要來源，近幾年也得到了越來越多的關(guān)注[15?16].

（2） 耐材侵蝕.

耐火材料在使用過程中承受著熱、機(jī)械、化學(xué)等沖擊和損耗[17]. 其中，沖刷侵蝕與鋼液的流速直接相關(guān)，有研究表明[18]，中包內(nèi)的沖刷侵蝕位置由重到輕的排序?yàn)椋和牧饕种破?沖擊區(qū)包壁1/3處>擋堰迎向鋼液一側(cè)>塞棒底部.

（3） 吸氣.

空氣無處不在，在任何有壓力差的位置都可能接觸到鋼液，而鋼液中的強(qiáng)還原元素（如[Al]）會與空氣反應(yīng)生產(chǎn)大型夾雜物，氮?dú)庖部梢匀芙獾戒撘簝?nèi). 吸氣的位置較易發(fā)生在水口的連接處[12]和中間包渣眼處[19].

（4） 鋼包下渣.

鋼包澆注結(jié)束時(shí)可能會形成匯流漩渦將鋼包頂渣卷入中間熔池內(nèi)，從而造成鋼液污染、水口侵蝕甚至堵塞[20]. 連鑄過程中，生產(chǎn)品種鋼時(shí)通常會采用下渣檢測手段進(jìn)行“留鋼操作”[4]. 例如，某鋼廠 150 t鋼包的余留鋼液量為 2～3 t.

（5） 覆蓋劑卷入.

中包覆蓋劑的主要作用在于鋼液的保溫、隔絕空氣和去除夾雜物. 然而，在更換鋼包和長水口時(shí)，可能會發(fā)生鋼液流股和中間包熔池的劇烈卷混而卷入覆蓋劑. 最新的“插釘實(shí)驗(yàn)”結(jié)果表明[21]，長水口附近渣眼處的鋼液流速可達(dá)約0.8 m?s-1，穩(wěn)態(tài)澆注時(shí)也存在將中包覆蓋劑卷入熔池的風(fēng)險(xiǎn). 因此，有學(xué)者提出了特殊鋼無覆蓋劑生產(chǎn)的工藝[1].

1.3 長水口與中間包保護(hù)澆注之間的關(guān)系

通過以上對不同澆注階段特點(diǎn)的分析可知，各類鋼液污染形式多數(shù)與長水口有著直接或者間接的關(guān)系. 首先，作為連接鋼包和中間包之間的通道，長水口的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定著其內(nèi)部鋼液的流動形態(tài)，以及是否與空氣接觸；其次，長水口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與操作直接決定著其出口射流特征，也是中間包的入流特征，這一入流特征與中間包熔池注流區(qū)的湍流狀態(tài)、鋼液是否裸露、是否卷渣和耐材的沖刷強(qiáng)度等緊密相關(guān)；另外，長水口的入流特征影響著整個(gè)中間包的流動和鋼液混勻狀態(tài)，從而帶來不同的夾雜物去除效果；再者，長水口內(nèi)的鋼液流動影響著吹入氬氣的氣泡動態(tài)形貌、聚并破碎和流動軌跡. 因此，長水口這一冶金耐材部件與中間包內(nèi)鋼液-氬氣-渣-耐材-夾雜物等多組元體系的物理化學(xué)行為有著緊密的關(guān)系，在鋼液的保護(hù)澆注中起著重要的作用，值得冶金學(xué)者和工程師的足夠重視. 近幾十年有關(guān)長水口研究的發(fā)表文章數(shù)目如圖4所示，從圖中可以看出，文章數(shù)目整體呈增長的趨勢，證明這一冶金部件確實(shí)正在受到越來越多冶金工作者的關(guān)注[12,22].

圖4 自20世紀(jì)70年代以來有關(guān)長水口研究的文章發(fā)表數(shù)目Fig.4 Number of publications related to ladle shroud since the 1970s

2 長水口在中間包保護(hù)澆注中的作用

2.1 長水口保護(hù)澆注的演變歷程

連鑄發(fā)展初期，解決鋼流污染的技術(shù)主要有氬氣密封法和鋼包長水口. 氬氣密封法就是將鋼流穿過固定于中間包上的套管后再進(jìn)入中間包，套管設(shè)有氬氣的入口和出口來保持套管內(nèi)的惰性氣氛[23]. 有研究表明[4]，氬氣密封法能夠有效地減少鋼液吸氣并改善結(jié)晶器保護(hù)渣的性能. 然而，氬氣密封法的氬氣消耗量通常較大（650～1200 L?min?1[23]），飛濺的鋼液在套管內(nèi)壁沉積，且當(dāng)鋼流中卷有鋼包渣時(shí)，具有正壓力的氬氣會將渣子打碎和乳化，從而增加其卷入渣滴的風(fēng)險(xiǎn). 因此，氬氣密封法沒有得到廣泛的使用.

鋼包長水口的理念則在于將鋼流密封在一個(gè)較小的管道內(nèi)來隔絕空氣. 長水口的結(jié)構(gòu)和操作相對簡單，且與中間包的結(jié)構(gòu)分離，在現(xiàn)代連鑄工藝中被廣泛使用. 有關(guān)長水口一個(gè)較早的研究可見于1978年美國Burns Harbor的連鑄車間的實(shí)驗(yàn)[9].研究人員采用熔融石英制作了48英寸和60英寸的長水口，起到了良好的效果：中間包內(nèi)的全氧量從 4×10?5～4.5×10?5減少到了 2×10?5～2.5×10?5，冷軋板成材率從85%提高到了97%. 同時(shí)，長水口的使用能夠有效防止鋼液飛濺、降低中間包的維護(hù)成本和改善操作人員的安全條件. 長水口的缺點(diǎn)在于每個(gè)鋼包澆注結(jié)束都需要更換.

為了防止長水口連接處負(fù)壓造成的空氣吸入，研究人員在長水口的碗部注入氬氣來形成正壓. 該發(fā)明最早見于1988年維蘇威申請的專利（US4836508A）. 另外，長水口的本體材料也在不斷升級，美國Burns Harbor廠最初同時(shí)嘗試了石英質(zhì)和鋁-碳質(zhì)的長水口材料[9]，但由于鋁-碳材料的熱裂問題而被放棄；我國1973年最初開發(fā)的長水口也為石英質(zhì)的，壽命約為8 h，并于1994年初首次成功研制了免預(yù)熱鋁碳長水口，使用壽命約為9 h[24].隨著鋁-碳耐火材料在原料、制備工藝、噴涂技術(shù)和制作裝備等方面的不斷升級[17,24]，免預(yù)熱鋁-碳質(zhì)耐火材料成為了現(xiàn)代連鑄工藝中長水口的主導(dǎo)制備材料之一，其壽命甚至達(dá)到>40爐次[25]. 李紅霞[17]最近提出了基于長水口的功能分區(qū)設(shè)計(jì)碳含量不同的梯度復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而賦予了長水口防增碳、高強(qiáng)度、耐熱震和抗侵蝕的優(yōu)異服役性能.

2.2 長水口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與中間包保護(hù)澆注

2.2.1 工業(yè)化長水口

最初設(shè)計(jì)的長水口結(jié)構(gòu)為直筒型的，即內(nèi)腔恒定，如圖5（a）所示. 該長水口具有結(jié)構(gòu)簡單、輕便易操作和易于加工的優(yōu)點(diǎn)，至今仍被很多鋼鐵企業(yè)使用. 然而，直筒型長水口的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于無法實(shí)現(xiàn)浸入式開澆. 浸入式開澆時(shí)，引流砂從鋼包底部流出，長水口內(nèi)腔形成負(fù)壓會導(dǎo)致中間包內(nèi)鋼液倒灌進(jìn)長水口內(nèi)，加之鋼包流出的鋼液的沖擊，長水口碗部會形成較大的氣壓而導(dǎo)致鋼液噴濺，甚至造成事故. 然而，非浸入式開澆時(shí)，鋼液流股從長水口沖出，會首先拍擊到中間包的覆蓋劑上，導(dǎo)致沖擊區(qū)鋼液-覆蓋劑的劇烈卷混，卷入的覆蓋劑與空氣是開澆和換包階段主要的污染來源[26].

圖5 已經(jīng)工業(yè)化的長水口類型. （a）直筒型；（b）喇叭型（類型 1）；（c）喇叭型（類型 2）.Fig.5 Industrialized ladle shrouds:(a) conventional straight ladle shroud; (b) type-1 trumpet ladle shroud; (c) type 2 trumpet-shaped ladle shroud

為了實(shí)現(xiàn)長水口的浸入式開澆，Becker和Prabhu[27]于1989年2月在美國內(nèi)陸鋼鐵公司開發(fā)和使用了喇叭型長水口，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5（b）所示. 喇叭型長水口的重要特征是出口處直徑較大，其容積較大；開澆時(shí)，喇叭型長水口內(nèi)引流砂導(dǎo)致的負(fù)壓頭高度為45 mm，約為對應(yīng)的直筒型長水口的 1/5（直筒型的為 217 mm）. 因此，喇叭型的擴(kuò)張段可以容納更多的熱空氣和鋼液，有助于防止開澆時(shí)的倒灌和鋼液噴濺. 浸入式開澆后，鋼液的潔凈度得到了較為明顯的提高，降低了該公司冷軋廠的折疊缺陷，中間包下水口的堵塞問題也得以緩解.

隨后，冶金學(xué)者對喇叭型長水口的諸多優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了報(bào)道，主要體現(xiàn)在提高生產(chǎn)效率和鋼液質(zhì)量兩個(gè)方面，其作用機(jī)制如圖6所示[28]. 舉例來說，喇叭型長水口的出口速度較小，對中間包熔池的沖擊力較小，從而可以減輕對沖擊區(qū)耐材的沖刷侵蝕，所獲得的中包流動特征更加合理，中間包熔池更加平靜[29]，活塞流的比例也更高[28,30].

圖6 文獻(xiàn)中報(bào)道的喇叭型長水口的優(yōu)點(diǎn)及其作用機(jī)制[28]Fig.6 Advantages and related contributing mechanisms of the trumpet-shaped ladle shroud[28]

鑒于喇叭型長水口的諸多優(yōu)點(diǎn)，目前其已經(jīng)在歐洲、美國、日本和韓國等地區(qū)和國家得到了廣泛使用. 我國的寶鋼、首鋼、萊鋼和唐鋼等鋼鐵企業(yè)也都采用了喇叭型長水口，其結(jié)構(gòu)為圖5（b）或（c）所示. 喇叭型長水口在我國多數(shù)應(yīng)用于對鋼液質(zhì)量要求較高的鋼種，如IF鋼和軸承鋼，而在普碳鋼中還少有應(yīng)用. 喇叭型長水口雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但需要合理的設(shè)計(jì)和使用才能最大程度的發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，喇叭段的高度和出口直徑是需要重點(diǎn)考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)，其擴(kuò)張角度過大時(shí)反而會引起開澆或換包時(shí)的偏流和回流問題[31?32]，增加二次氧化和卷渣的風(fēng)險(xiǎn). 另外，單支喇叭型長水口的質(zhì)量相對直筒型的較重（約重10%左右），操作不如直筒型的輕便；然而，隨著耐火材料性能的提升和長水口把手自動控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，喇叭型長水口值得更為廣泛的推廣和應(yīng)用，從而助力高品質(zhì)鋼的穩(wěn)定生產(chǎn).

2.2.2 新型長水口結(jié)構(gòu)

冶金工作者除了優(yōu)化已經(jīng)工業(yè)化的長水口以外，同時(shí)也在開發(fā)新型的鋼包長水口. 幾種典型的新型長水口結(jié)構(gòu)可見于文獻(xiàn)[12]，其設(shè)計(jì)理念多數(shù)在于優(yōu)化長水口和中間包內(nèi)部的鋼液流場，進(jìn)而提高鋼液潔凈度. 例如，Solorio-Díaz等[33]開發(fā)了一種自旋長水口，較早地提出了采用長水口來控制中間包流場的理念；李寶寬團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種彎管長水口，以此來促使電磁旋轉(zhuǎn)中間包內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流動[34]；Morales-Higa等[35]設(shè)計(jì)了一種由三個(gè)擴(kuò)張段組成的耗散型長水口，用以增加鋼液的湍流耗散，耗散型長水口的出口速度更小，可以緩解開澆時(shí)鋼液-覆蓋劑的卷混和空氣的卷入，有利于鋼液的保護(hù)澆注[36]. 然而，這些新型長水口由于自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和安全等問題，還未見工業(yè)應(yīng)用的報(bào)道.

2.3 長水口的工藝操作與保護(hù)澆注

長水口的工藝操作也與保護(hù)澆注的效果緊密相關(guān)，主要體現(xiàn)在長水口在中包熔池的浸入深度和水口的對中（傾斜）問題.

2.3.1 長水口的浸入深度

使用喇叭型長水口開澆時(shí)，通常將其浸入中包熔池一個(gè)較淺的液位，然后打開滑板實(shí)現(xiàn)浸入式開澆. 穩(wěn)態(tài)澆注時(shí)，長水口的浸入深度由中包熔池深度、長水口長度和鋼包的位置共同決定. 從流體力學(xué)的角度考慮，長水口的浸入深度主要決定長水口射流湍動能的耗散位置. 具體來講，長水口的射流速度大于中包熔池內(nèi)任意區(qū)域的流速，射流沖擊到中包后與熔池內(nèi)鋼液混合，湍動能得到耗散和減小. 當(dāng)浸入深度較淺時(shí)，射流耗散的位置接近熔池表面，會引起中包液面的波動，甚至將覆蓋劑卷入中包熔池內(nèi). 當(dāng)長水口浸入深度較深時(shí)，湍動能耗散的位置偏下，對中包底部耐材的沖刷會加重，同時(shí)向上返流的速度也會加大，可能將覆蓋劑渣面排開，形成較大的渣層裸露[37]. 當(dāng)中包工作液位為800 mm時(shí)，Zhang等[37]研究了不同浸入深度（220～400 mm）對中包熔池波動和渣眼大小的影響，結(jié)果如圖7所示，并最終確定了310 mm的最佳浸入深度. 此外，長水口的浸入深度還影響著整個(gè)中間包的熔池混勻情況；阮飛等[38]的研究結(jié)果表明，隨著長水口浸入深度的增加，中間包死區(qū)和活塞區(qū)體積呈減小的趨勢，而混合區(qū)體積呈增加的趨勢.

2.3.2 長水口的偏斜問題

圖7 澆注過程中不同長水口浸入深度下中間包液位的波動（a）和渣眼大小的變化情況（b）[37]Fig.7 Variations in the height difference (a) and exposed area of molten steel (b) under different filling times and immersion depths of shroud[37]

理想狀況下是希望長水口能夠垂直對中，且與鋼包下水口的連接能夠密封緊實(shí). 然而，實(shí)際生產(chǎn)中，鋼包、回轉(zhuǎn)臺和中間包等都屬于重型機(jī)械，其絕對的水平定位控制有一定難度，下水口的頻繁更換和水平移動以及長水口碗部的損耗等因素都容易導(dǎo)致長水口的偏斜，如圖8所示[39]. Chattopadhyay等[40]指出，長水口偏斜程度會因工況而不同，但偏斜發(fā)生的比例較高，可達(dá)90%以上，是連鑄生產(chǎn)中一個(gè)不可忽略的問題. 長水口偏斜的危害主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：第一，碗部連接處容易密封不佳會導(dǎo)致空氣吸入或局部應(yīng)力過大而損壞長水口[41]；第二，可能導(dǎo)致長水口的局部沖刷侵蝕和熱應(yīng)力過大；第三，長水口出口射流偏斜會增加對中包液面的切應(yīng)力，從而增加卷渣和渣層裸露的風(fēng)險(xiǎn)[40]；第四，嚴(yán)重的長水口偏斜可能將射流沖擊到中間包的無湍流抑制器區(qū)域（如圖8所示），造成嚴(yán)重的中包底部沖刷侵蝕和短路流的形成[39].

為了改善長水口的偏斜問題，首先可以從機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)入手，替換圖1所示雙板式為如圖9所示的三板式滑動水口結(jié)構(gòu)，這一設(shè)計(jì)可以避免下水口水平移動導(dǎo)致的偏斜問題[42]. 然而，三板式的結(jié)構(gòu)成本稍高，在浸入式水口中的應(yīng)用更為廣泛. 從連鑄操作工藝角度，可以通過盡可能地減少鋼包更換的時(shí)間或者在上一爐澆注結(jié)束時(shí)將中間包液位提升，從而緩解低液位時(shí)長水口偏斜帶來的嚴(yán)重污染[40]. 另外，自動化和智能化識別技術(shù)是解決該偏斜問題的一個(gè)有效手段，鐳目公司開發(fā)的機(jī)器人自動更換長水口機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)自鎖型的，其結(jié)構(gòu)在一定程度上可以緩解長水口的偏移問題[43].Das等[39]最近開發(fā)了一種圖像識別技術(shù)來自動辨別長水口的偏斜程度和方位. 韓國POSCO公司開發(fā)了一種帶有扭矩傳感器的長水口把手，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)控長水口，使其盡可能地保持垂直對中[41].

2.4 長水口在中間包保護(hù)澆注過程中的多功能演進(jìn)

隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展和裝備的不斷升級，長水口在中間包保護(hù)澆注過程中呈現(xiàn)出功能多元化的發(fā)展趨勢，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

（1）實(shí)施振動式下渣檢測.

圖8 長水口偏斜的示意圖和所造成的不利影響[39]Fig.8 Illustration of a misaligned ladle shroud and its hazards[39]

圖9 三板式的滑動水口結(jié)構(gòu)Fig.9 Schematic of the three-plate sliding gate

在鋼包澆注末期，鋼包下渣會嚴(yán)重污染中間包熔池的鋼液. 為了快速識別下渣現(xiàn)象的發(fā)生，常用的鋼包下渣檢測技術(shù)有電磁檢測、重量檢測和超聲檢測等[44]. 其中，電磁檢測技術(shù)以其高精度和高敏感性的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用. 然而，電磁檢測通常需要較高的建造和維護(hù)成本，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且壽命較低. 日本學(xué)者最早于20世紀(jì)80年代在川崎鋼鐵公司提出了“振動式下渣檢測”技術(shù)，該技術(shù)通過在長水口把手上安裝振動感應(yīng)裝置，利用鋼液和鋼渣對長水口帶來的振動信號差來識別鋼包渣的卷入，進(jìn)而及時(shí)關(guān)閉滑動水口防止卷渣[45].實(shí)際上，連鑄發(fā)展早期操作工人會通過手摸長水口操作臂或一個(gè)緊貼長水口的鐵棒來感受長水口振動的變化. 振動式感應(yīng)器則能提供更可靠的準(zhǔn)確度，該檢測手段對漏斗形鋼渣漩渦具有較好的敏感度，設(shè)備較易安裝和維護(hù)，已經(jīng)在很多企業(yè)得到了應(yīng)用[44].

（2）生成彌散氣泡去除夾雜物.

長水口碗部吹入氬氣不僅能夠防止連接處吸入空氣，形成的氣泡也是去除鋼中夾雜物的一種有效手段. 氣泡尺寸越小，其比表面積越大，在一定范圍內(nèi)對捕捉夾雜物也越有利. 尺寸較大的氣泡會降低與夾雜物碰撞的幾率，同時(shí)可能會引起中間包較為明顯的液面波動. 因此，實(shí)際生產(chǎn)中希望可以獲得尺寸較小且彌散的氣泡. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[46?47]，長水口內(nèi)的氬氣泡尺寸主要分布在幾百微米到幾毫米之間. 氣泡的尺寸與氣體入口尺寸、潤濕性、鋼液性質(zhì)和氣泡與鋼液的相對速度等因素有關(guān)[48?49]. 另外，氣泡尺寸與液體的湍流強(qiáng)度密切相關(guān)，兩者之間比較定量化的公式表述可以參考Evans等[50]的研究結(jié)果，最大氣泡尺寸可以表述為：

式中：dmax是氣泡在流體內(nèi)的最大穩(wěn)定尺寸；We是韋伯?dāng)?shù)；ρ為流體密度；σ和ε分別為液體表面張力和湍動能耗散率. 從公式（1）可以看出，高的湍流耗散率會促使細(xì)小氣泡的形成，文獻(xiàn)中所報(bào)道的耗散型長水口[35]和自旋長水口[33]有望在這方面發(fā)揮積極作用，但是仍然缺乏實(shí)驗(yàn)的論證.

（3）解決引流砂的污染問題.

有關(guān)引流砂進(jìn)入鋼液后的污染問題，實(shí)際生產(chǎn)中尚未有很好的解決方案[51]. 由于引流砂會首先經(jīng)過長水口而后進(jìn)入中包熔池內(nèi)，長水口必然成為了一個(gè)解決引流砂污染問題的突破口，主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是在長水口下方設(shè)計(jì)導(dǎo)流槽，用以避免開澆時(shí)引流砂進(jìn)入中包熔池內(nèi)[52]，然而，這種方法往往帶來強(qiáng)烈的鋼液飛濺，不利于安全生產(chǎn)；二是設(shè)計(jì)合適的長水口和中間包控流裝置，提高引流砂在中間包內(nèi)的上浮去除效率[15]. 此外，東北大學(xué)的高翱等[51]開發(fā)了電磁引流技術(shù)，通過感應(yīng)加熱來融化上水口的鐵碳合金，從而實(shí)現(xiàn)鋼包底部的開澆；該技術(shù)有望取代引流砂，但實(shí)際生產(chǎn)中仍然存在電路布置和使用壽命等問題.

3 總結(jié)和展望

長水口的發(fā)明始于對鋼液保護(hù)澆注的需求，其使用很好地起到了防止鋼液二次氧化和卷渣的作用，在鋼液連鑄的發(fā)展歷程中起到了重要作用.連鑄不同時(shí)期的中間包鋼液污染形式幾乎都與長水口有著直接和間接的關(guān)系，引起了越來越多冶金工作者的關(guān)注. 近些年來，長水口在材料、結(jié)構(gòu)和工藝操作等方面都在不斷升級. 新型長水口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其是喇叭型長水口的開發(fā)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了浸入式開澆，有效地緩解了開澆時(shí)的嚴(yán)重卷渣和吸氣. 通過實(shí)驗(yàn)研究可以獲得相對合理的長水口浸入深度范圍. 長水口偏斜的發(fā)生頻率較高，偏斜嚴(yán)重時(shí)會大大增加中間包保護(hù)澆注的困難，相應(yīng)的解決方案可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連鑄工藝優(yōu)化、長水口位置的自動識別和控制角度來實(shí)現(xiàn).

隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，耐火材料擔(dān)負(fù)著更多的冶金任務(wù)，長水口的冶金功能也在變得更為多元化，如鋼包下渣檢測、形成彌散氣泡和防止引流砂污染等. 長水口的未來發(fā)展將兼顧其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多種冶金功能的實(shí)現(xiàn)，即呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)功能一體化的發(fā)展趨勢，但其首要任務(wù)仍然是鋼液的保護(hù)澆注. 新時(shí)代煉鋼-連鑄背景下，連鑄中間包保護(hù)澆注面臨著兩個(gè)新命題[53]：一是建設(shè)以恒拉速/高拉速連鑄為核心的高效率、低成本潔凈鋼生產(chǎn)體系；二是在工藝穩(wěn)定基礎(chǔ)上，促使現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性的提高. 具體來講，恒拉速/高拉速的實(shí)現(xiàn)需要鋼包-中間包-結(jié)晶器之間的有機(jī)銜接和匹配，其中高拉速會導(dǎo)致整個(gè)中間包熔池湍流強(qiáng)度的增加（尤其對于容量較小的中間包），從而增加相應(yīng)的吸氣、卷渣和耐材侵蝕等風(fēng)險(xiǎn). 喇叭型長水口是一個(gè)可以緩解中間包沖擊區(qū)湍流強(qiáng)度的有效手段，其作用類似于結(jié)晶器內(nèi)電磁制動的“剎車”作用[28]，通過合理的設(shè)計(jì)和使用可以獲得較好的保護(hù)澆注效果，值得鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的推廣使用.再者，有關(guān)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性控制，一方面需要加強(qiáng)穩(wěn)態(tài)澆注過程中的規(guī)范化操作和管理，避免長水口過度傾斜和“渣眼”等現(xiàn)象的出現(xiàn)，另一方面應(yīng)該給予非穩(wěn)態(tài)澆注過程足夠的重視，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作工藝角度改善換包等過程中出現(xiàn)的鋼液嚴(yán)重污染和產(chǎn)品質(zhì)量降級問題.