長水口是連接於鋼包和中間包之間的耐材質通道，長水口的發明和使用在連鑄技術發展過程中起到了重要的作用，並與中間包的保護澆注效果有著緊密的聯繫，具體包括防止穩態和非穩態澆注過程中的二次氧化和來源於空氣/渣/耐材/引流砂等的汙染。
1、長水口保護澆注的演變歷程
連鑄發展初期，解決鋼流汙染的技術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於中間包上的套管後再進入中間包，套管設有氬氣的入口和出口來保持套管內的惰性氣氛。有研究表明，氬氣密封法能夠有效地減少鋼液吸氣並改善結晶器保護渣的性能。然而，氬氣密封法的氬氣消耗量通常較大(650～1200Lmin-1)，飛濺的鋼液在套管內壁沉積，且當鋼流中卷有鋼包渣時，具有正壓力的氬氣會將渣子打碎和乳化，從而增加其捲入渣滴的風險。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於將鋼流密封在一個較小的管道內來隔絕空氣。長水口的結構和操作相對簡單，且與中間包的結構分離，在現代連鑄工藝中被廣泛使用。有關長水口一個較早的研究可見於1978年美國BurnsHarbor的連鑄車間的實驗。研究人員採用熔融石英製作了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，長水口的使用能夠有效防止鋼液飛濺、降低中間包的維護成本和改善操作人員的安全條件。長水口的缺點在於每個鋼包澆注結束都需要更換。
為了防止長水口連接處負壓造成的空氣吸入，研究人員在長水口的碗部注入氬氣來形成正壓。該發明最早見於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BurnsHarbor廠最初同時嘗試了石英質和鋁碳質的長水口材料，但由於鋁碳材料的熱裂問題而被放棄;我國1973年最初開發的長水口也為石英質的，壽命約為8h，並於1994年初首次成功研製了免預熱鋁碳長水口，使用壽命約為9h。隨著鋁碳耐火材料在原料、製備工藝、噴塗技術和製作裝備等方面的不斷升級，免預熱鋁碳質耐火材料成為了現代連鑄工藝中長水口的主導製備材料之一，其壽命甚至達到>40爐次。李紅霞最近提出了基於長水口的功能分區設計碳含量不同的梯度複合結構，從而賦予了長水口防增碳、高強度、耐熱震和抗侵蝕的優異服役性能。
2、長水口的結構設計與中間包保護澆注
2.1工業化長水口
最初設計的長水口結構為直筒型的，即內腔恆定，如圖5(a)所示。該長水口具有結構簡單、輕便易操作和易於加工的優點，至今仍被很多鋼鐵企業使用。然而，直筒型長水口的一個主要缺點在於無法實現浸入式開澆。浸入式開澆時，引流砂從鋼包底部流出，長水口內腔形成負壓會導致中間包內鋼液倒灌進長水口內，加之鋼包流出的鋼液的衝擊，長水口碗部會形成較大的氣壓而導致鋼液噴濺，甚至造成事故。然而，非浸入式開澆時，鋼液流股從長水口衝出，會首先拍擊到中間包的覆蓋劑上，導致衝擊區鋼液覆蓋劑的劇烈卷混，捲入的覆蓋劑與空氣是開澆和換包階段主要的汙染來源。
為了實現長水口的浸入式開澆，Becker和Prabhu於1989年2月在美國內陸鋼鐵公司開發和使用了喇叭型長水口，其結構示意圖如圖5(b)所示。喇叭型長水口的重要特徵是出口處直徑較大，其容積較大;開澆時，喇叭型長水口內引流砂導致的負壓頭高度為45mm，約為對應的直筒型長水口的1/5(直筒型的為217mm)。因此，喇叭型的擴張段可以容納更多的熱空氣和鋼液，有助於防止開澆時的倒灌和鋼液噴濺。浸入式開澆後，鋼液的潔淨度得到了較為明顯的提高，降低了該公司冷軋廠的摺疊缺陷，中間包下水口的堵塞問題也得以緩解。
隨後，冶金學者對喇叭型長水口的諸多優點進行了報導，主要體現在提高生產效率和鋼液質量兩個方面。舉例來說，喇叭型長水口的出口速度較小，對中間包熔池的衝擊力較小，從而可以減輕對衝擊區耐材的衝刷侵蝕，所獲得的中包流動特徵更加合理，中間包熔池更加平靜，活塞流的比例也更高。
鑑於喇叭型長水口的諸多優點，目前其已經在歐洲、美國、日本和韓國等地區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也都採用了喇叭型長水口，其結構為圖5(b)或(c)所示。喇叭型長水口在我國多數應用於對鋼液質量要求較高的鋼種，如IF鋼和軸承鋼，而在普碳鋼中還少有應用。喇叭型長水口雖然有諸多優點，但需要合理的設計和使用才能最大程度的發揮其優點，喇叭段的高度和出口直徑是需要重點考慮的設計參數，其擴張角度過大時反而會引起開澆或換包時的偏流和回流問題，增加二次氧化和卷渣的風險。另外，單支喇叭型長水口的質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的實現，喇叭型長水口值得更為廣泛的推廣和應用，從而助力高品質鋼的穩定生產。
2.2新型長水口結構
冶金工作者除了優化已經工業化的長水口以外，同時也在開發新型的鋼包長水口。幾種典型的新型長水口結構可見於文獻，其設計理念多數在於優化長水口和中間包內部的鋼液流場，進而提高鋼液潔淨度。例如，Solorio-Díaz等開發了一種自旋長水口，較早地提出了採用長水口來控制中間包流場的理念;李寶寬團隊開發了一種彎管長水口，以此來促使電磁旋轉中間包內的旋轉流動;Morales-Higa等設計了一種由三個擴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，可以緩解開澆時鋼液–覆蓋劑的卷混和空氣的捲入，有利於鋼液的保護澆注。然而，這些新型長水口由於自身結構的複雜性和安全等問題，還未見工業應用的報導。
3、長水口的工藝操作與保護澆注
長水口的工藝操作也與保護澆注的效果緊密相關，主要體現在長水口在中包熔池的浸入深度和水口的對中(傾斜)問題。
3.1長水口的浸入深度
使用喇叭型長水口開澆時，通常將其浸入中包熔池一個較淺的液位，然後打開滑板實現浸入式開澆。穩態澆注時，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於中包熔池內任意區域的流速，射流衝擊到中包後與熔池內鋼液混合，湍動能得到耗散和減小。當浸入深度較淺時，射流耗散的位置接近熔池表面，會引起中包液面的波動，甚至將覆蓋劑捲入中包熔池內。當長水口浸入深度較深時，湍動能耗散的位置偏下，對中包底部耐材的衝刷會加重，同時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。當中包工作液位為800mm時，Zhang等研究了不同浸入深度(220～400mm)對中包熔池波動和渣眼大小的影響，結果如圖7所示，並最終確定了310mm的最佳浸入深度。此外，長水口的浸入深度還影響著整個中間包的熔池混勻情況;阮飛等的研究結果表明，隨著長水口浸入深度的增加，中間包死區和活塞區體積呈減小的趨勢，而混合區體積呈增加的趨勢。
3.2長水口的偏斜問題
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。然而，實際生產中，鋼包、迴轉臺和中間包等都屬於重型機械，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致長水口的偏斜，如圖8所示。Chattopadhyay等指出，長水口偏斜程度會因工況而不同，但偏斜發生的比例較高，可達90%以上，是連鑄生產中一個不可忽略的問題。長水口偏斜的危害主要體現在四個方面：第一，碗部連接處容易密封不佳會導致空氣吸入或局部應力過大而損壞長水口;第二，可能導致長水口的局部衝刷侵蝕和熱應力過大;第三，長水口出口射流偏斜會增加對中包液面的切應力，從而增加卷渣和渣層裸露的風險;第四，嚴重的長水口偏斜可能將射流衝擊到中間包的無湍流抑制器區域(如圖8所示)，造成嚴重的中包底部衝刷侵蝕和短路流的形成。
為了改善長水口的偏斜問題，首先可以從機械結構的設計入手，替換圖1所示雙板式為如圖9所示的三板式滑動水口結構，這一設計可以避免下水口水平移動導致的偏斜問題。然而，三板式的結構成本稍高，在浸入式水口中的應用更為廣泛。從連鑄操作工藝角度，可以通過儘可能地減少鋼包更換的時間或者在上一爐澆注結束時將中間包液位提升，從而緩解低液位時長水口偏斜帶來的嚴重汙染。另外，自動化和智能化識別技術是解決該偏斜問題的一個有效手段，鐳目公司開發的機器人自動更換長水口機構是旋轉自鎖型的，其結構在一定程度上可以緩解長水口的偏移問題。Das等最近開發了一種圖像識別技術來自動辨別長水口的偏斜程度和方位。韓國POSCO公司開發了一種帶有扭矩傳感器的長水口把手，可以實時監測和調控長水口，使其儘可能地保持垂直對中。
4、長水口在中間包保護澆注過程中的多功能演進
隨著連鑄技術的發展和裝備的不斷升級，長水口在中間包保護澆注過程中呈現出功能多元化的發展趨勢，主要體現在以下幾個方面。
(1)實施振動式下渣檢測。
在鋼包澆注末期，鋼包下渣會嚴重汙染中間包熔池的鋼液。為了快速識別下渣現象的發生，常用的鋼包下渣檢測技術有電磁檢測、重量檢測和超聲檢測等。其中，電磁檢測技術以其高精度和高敏感性的優點而得到廣泛應用。然而，電磁檢測通常需要較高的建造和維護成本，裝置結構複雜且壽命較低。日本學者最早於20世紀80年代在川崎鋼鐵公司提出了「振動式下渣檢測」技術，該技術通過在長水口把手上安裝振動感應裝置，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捲入，進而及時關閉滑動水口防止卷渣。實際上，連鑄發展早期操作工人會通過手摸長水口操作臂或一個緊貼長水口的鐵棒來感受長水口振動的變化。振動式感應器則能提供更可靠的準確度，該檢測手段對漏鬥形鋼渣漩渦具有較好的敏感度，設備較易安裝和維護，已經在很多企業得到了應用。
(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，在一定範圍內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機率，同時可能會引起中間包較為明顯的液面波動。因此，實際生產中希望可以獲得尺寸較小且彌散的氣泡。實驗結果表明，長水口內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、潤溼性、鋼液性質和氣泡與鋼液的相對速度等因素有關。另外，氣泡尺寸與液體的湍流強度密切相關，兩者之間比較定量化的公式表述可以參考Evans等的研究結果，最大氣泡尺寸可以表述為：
(1)
式中：dmax是氣泡在流體內的最大穩定尺寸;We是韋伯數;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小氣泡的形成，文獻中所報導的耗散型長水口和自旋長水口有望在這方面發揮積極作用，但是仍然缺乏實驗的論證。
(3)解決引流砂的汙染問題。
有關引流砂進入鋼液後的汙染問題，實際生產中尚未有很好的解決方案。由於引流砂會首先經過長水口而後進入中包熔池內，長水口必然成為了一個解決引流砂汙染問題的突破口，主要體現在以下兩方面：一是在長水口下方設計導流槽，用以避免開澆時引流砂進入中包熔池內，然而，這種方法往往帶來強烈的鋼液飛濺，不利於安全生產;二是設計合適的長水口和中間包控流裝置，提高引流砂在中間包內的上浮去除效率。此外，東北大學的高翱等開發了電磁引流技術，通過感應加熱來融化上水口的鐵碳合金，從而實現鋼包底部的開澆;該技術有望取代引流砂，但實際生產中仍然存在電路布置和使用壽命等問題。
總結
長水口的發明始於對鋼液保護澆注的需求，其使用很好地起到了防止鋼液二次氧化和卷渣的作用，在鋼液連鑄的發展歷程中起到了重要作用。連鑄不同時期的中間包鋼液汙染形式幾乎都與長水口有著直接和間接的關係，引起了越來越多冶金工作者的關注。近些年來，長水口在材料、結構和工藝操作等方面都在不斷升級。新型長水口結構的設計，尤其是喇叭型長水口的開發和應用實現了浸入式開澆，有效地緩解了開澆時的嚴重卷渣和吸氣。通過實驗研究可以獲得相對合理的長水口浸入深度範圍。長水口偏斜的發生頻率較高，偏斜嚴重時會大大增加中間包保護澆注的困難，相應的解決方案可以從結構設計、連鑄工藝優化、長水口位置的自動識別和控制角度來實現。
隨著連鑄技術的發展，耐火材料擔負著更多的冶金任務，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汙染等。長水口的未來發展將兼顧其結構設計和多種冶金功能的實現，即呈現出結構功能一體化的發展趨勢，但其首要任務仍然是鋼液的保護澆注。