連鑄坯裂紋

連鑄坯裂紋的形成是連鑄過程中力學因素和冶金特性綜合作用的結果，從裂紋的形成到出現，必須有作用應力，且材料本身不能承受此應力。因此，要理解連鑄中各類裂紋的形成過程，就需要了解應力源和材料的高溫特性，特別是延展性。而且需要指出的是，裂紋形成不見得均勻進行，可能有明顯的裂紋開始和擴張階段。

基本介紹

• 中文名：連鑄坯裂紋
• 外文名：Slab crack
• 學科：冶金工程
• 領域：鋼鐵
• 缺陷比例：50%
• 別稱：凝固裂紋

簡介

在連鑄生產實踐中，裂紋是鑄坯的一種主要缺陷，據統計，鑄坯各類缺陷中有50%為裂紋。鑄坯中存在裂紋，嚴重的會影響到鑄坯的後續加工以及最終產品的質量，甚至造成廢品。澆注過程中，裂紋還會造成拉漏事故發生，影響連鑄機的正常生產，造成鋼水浪費。裂紋還會使鑄坯熱送技術和連鑄連軋技術的採用受到影響。因此，防止鑄坯裂紋產生，對穩定連鑄生產、提高產品質量具有重要意義。

按照連鑄坯裂紋產生的位置和形態可分為表面裂紋和內部裂紋。絕大多數內裂紋都是在凝固過程中形成的，故有時也稱為“凝固裂紋”。從概念上講，鑄坯中從皮下一直到中心部位出現的裂紋都可以稱為內裂紋，因此，內裂紋不僅包括凝固裂紋，也應該包括那些在凝固溫度以下由於A1N、Nb 等質點在奧氏體晶界析出引起晶界脆化、在外力作用下形成的裂紋，只是後者所占比例很小。

裂紋形成的機理

裂紋的形成是連鑄過程中力學因素和冶金特性綜合作用的結果，從裂紋的形成到出現，必須有作用應力，且材料本身不能承受此應力。因此，要理解連鑄中各類裂紋的形成過程，就需要了解應力源和材料的高溫特性，特別是延展性。而且需要指出的是，裂紋形成不見得均勻進行，可能有明顯的裂紋開始和擴張階段。下面就幾種典型的表面裂紋和內部裂紋的形成機理進行分析。

表面橫向裂紋的形成機理

有證據表明，表面橫向裂紋的早期形成階段，出現在結晶器內的高溫區，並且與振痕附近的偏析有關。這些區域熔點低，且由於向結晶器的熱傳輸降低，而使溫度較高，從而導致熱扯裂。當碳含量達到出現包晶的程度時，表面橫向裂紋增加，儘管表面橫向裂紋的早期形成階段，可能位於結晶器內，但這些缺陷變大、變多則是在結晶器之後的低溫區，當其受到來自各種渠道的應力作用，特別是象鑄坯矯直時那樣的應力作用時，當這些應力出現在延展性差的溫度範圍內，表面橫向裂紋很嚴重。由於熱延展性受微合金影響強烈，所以有報導認為，這就是微合金元素影響表面橫向裂紋的機理，除微合金元素析出物在表面橫向裂紋的形核方面起一定作用外，振痕也有利於裂紋的擴張。這是由於振痕下的晶粒尺寸較粗大，且凹口形的幾何形狀也會使應力集中。

表面縱向裂紋的形成機理

連鑄坯表面縱向裂紋的產生往往與表面縱向凹陷相伴隨。據認為，連鑄坯表面縱向凹陷、裂紋是在結晶器彎月面附近產生，在二冷區得到擴展，因此，其根源在於鋼水在結晶器內的凝固行為及其影響因素。各種原因導致的不均勻傳熱和不均勻凝固會造成鑄坯凹陷，凹陷部位冷卻和凝固速度比其他部位慢，結晶組織粗化，對裂紋敏感性強。坯殼出結晶器後受到噴水冷卻和鋼水靜壓力引起的膨脹作用，在凹陷的薄弱處造成應力集中而產生裂紋。坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴重，縱裂出現的幾率越大。

成分、結晶器狀況、過熱度、拉速、保護渣甚至是操作等導致的不均勻傳熱，都增加了鑄坯產生表面縱向凹陷和裂紋的幾率。

內部裂紋的形成機理

最初在結晶器中形成的2-5mm厚的凝固殼為細小的等軸晶，之後凝固組織變為柱狀晶。柱狀晶的方向基本上與坯殼表面垂直，且平行於熱流方向。隨著凝固的進行，S,P等元素髮生偏析，在固液界面前沿及枝晶之間富集。含S,P較高的晶界在大體積材料的固相線溫度Tsol下仍處於液態，對於與柱狀晶方向垂直的拉應力或拉應變而言，處於液相的晶界幾乎沒有塑性。開始出現零塑性的溫度ZDT比固相線溫度低30 ~ 70℃,當結晶器摩擦力引起的應力、坯殼鼓肚應力、熱應力、矯直應力、以及由於導輥變形、不對中引起的附加機械應力作用於凝固前沿時，凝固界面率先沿柱狀晶晶界開裂形成裂紋，並向固相擴展，同時凝固前沿富含溶質元素的鋼水有可能被“抽吸”進入裂紋。這就是內裂紋有時伴隨著偏折線一起出現的原因。

初始形成的裂紋沿柱狀晶晶界向固相擴展，由於溫度逐漸降低，塑性和強度逐漸上升，或遇到表層等軸晶區，裂紋擴展被抑制。在隨後的凝固過程中，如果凝固前沿繼續受到應力或應變的作用，則已形成的內裂紋將隨著凝固界面的推進而連續“生長”。

鑄坯產生裂紋的主要影響因素

機械應力

1.結晶器與坯殼之間摩擦產生的應力

儘管振動裝置的使用改善了結晶器與坯殼界面的脫模條件，但摩擦依然存在並使坯殼產生應力。當結晶器相對於坯殼向上運動時，將作用於坯殼表面一個向上的摩擦力。由於摩擦力是表面力，因而會產生彎矩，進而在坯殼中產生彎曲應力。這個彎曲應力與軸向拉伸應力合成產生的合力為拉應力，當它足夠大時，將引起內裂紋甚至使坯殼破裂。當結晶器相對於坯殼向下運動時，摩擦力方向向下，坯殼中的合成應力處於壓縮狀態。因此，結晶器的振動和摩擦在坯殼中產生的是一個循環應力。

2.鋼水靜壓力使坯殼鼓肚產生的應力

當鑄坯移出結晶器在導輥之間運行時，由於不再有結晶器壁的限制，加之鋼水靜壓力也因壓頭高度的增加而有所增大，所以相鄰兩對導輥之間的坯殼容易發生鼓肚，同時在坯殼中產生應力。在相鄰兩導輥之間的中心位置處(鼓肚最顯著處)，坯殼內表面(即凝固前沿)產生的應力為壓應力，坯殼外表面產生的應力為拉應力，而在導輥位置處，應力狀態正好相反，坯殼內表面產生的應力為拉應力，坯殼外表面產生的應力為壓應力。由於鑄坯在導輥之間是連續運動的，因此坯殼將發生“鼓肚-壓回-鼓肚”的循環，相應地，凝固前沿的應力狀態隨之而發生“壓縮-拉伸-壓縮”的循環。一般的連鑄生產，由鼓肚引起的應變約為0.2%-0.8%，這個數值是較大的，也是連鑄所承受的應變中較大的一種，又由於鼓肚應變發生在整個連鑄過程的早期，易於引發內部裂紋。如果這種裂紋發展到表面，就會引起漏鋼事故。

3.矯直應力

從力學角度分析很容易理解，無論是一點矯直、多點矯直、還是連續矯直，內弧側凝固坯殼總是受到拉應力的作用。當矯直應力較大時，會產生平行於矯直輥的表面橫向裂紋，當帶液芯矯直時，還會產生內部橫向裂紋。

熱應力

連鑄坯運行凝固時，鑄坯表面與液芯、鑄坯軸向、鑄坯角部與表面這三個方向均存在溫度梯度，造成各部分之間收縮量不同，產生了熱應力鑄坯出結晶器進入二冷區後，坯殼表面收縮較大，此時坯殼表面受到拉應力，而凝固前沿受到壓應力。如果鑄坯表面溫度回升過大、過快，應力分布將隨之而發生變化，極有可能使凝固前沿的壓應力轉變為拉應力，易於產生內部裂紋由於坯角易於冷卻，當坯角冷卻過快時，容易產生角部裂紋。

相變應力

鋼液在凝固過程中要發生相變，相變的產物往往有不同的比容。低碳鋼在凝固過程中，要經過鐵素體-奧氏體和奧氏體-鐵素體固態相變，晶格由體心立方結構轉變為面心立方結構，增加了原子結構的密實性，體積縮小;晶格由面心立方結構轉變為體心立方結構，原子結構密實性降低，導致體積膨脹，這樣在凝固坯殼中會產生應力。如果鑄坯在低於90°矯直，此時相變和矯直應變疊加在一起，產生裂紋的危險性更大。

設備因素引起的意外機械力

對弧、對中不準或導輥的彎曲、變形、位移等，會在凝固坯殼中產生一定的附加機械應力。導輥位移量在0. 5-1. 5 mm，產生的變形可達0.2%~0.4%。可見，弧形連鑄機的對中、對弧精度是非常重要的。

鋼的脆性溫度區間及脆化機理

鋼有三個脆性溫度區間，其大致溫度範圍、脆化機理如下。

1)高溫脆性區，固相線溫度以下30 ~ 70℃範圍內。由於鋼凝固過程中S、P等元素在枝晶間偏析，形成熔點低於固相線溫度的液體薄膜，使鋼的塑性急劇降低。

2)中溫脆性區，1 200℃到Ar3溫度(大約為800℃)。在這一溫度區間，凝固組織為穩定的奧氏體，奧氏體中過飽和的s、o在晶界以(Fe、Mn) S .（Fe, Mn） O的形式析出，或者奧氏體晶界A1N . BN . Nb （C、N）等質點析出，引起晶界脆化，使鋼的塑性降低。

3)低溫脆性區，Ar3溫度到600℃。在這個溫度區間，發生奧氏體向鐵素體的轉變，鐵素體呈薄膜狀在奧氏體晶界析出，同時A1N, BN. Nb等也在晶界沉澱析出，使鋼的塑性降低。

如果凝固坯殼中凝固前沿處於脆性區，同時又受到較大應力或應變作用，產生鑄坯裂紋的幾率將大大增加。

化學成分

1.碳、硫、錳

含碳0. 20%左右的低碳鋼最易於產生裂紋，這是因為發生包晶反應時，由於a相變成Y相伴隨比容變化，而引起內應力(即相變應力)導致裂紋產生。還有研究證明，含碳0. 18%的低碳鋼收縮值最大，而此時鋼的展性低，因而對裂紋敏感性大。碳是影響鋼性能的主要元素，生產中鋼水含C量由生產的鋼種決定，不能隨意調整，但含C量高的鋼內裂紋敏感性強。

凝固組織對內裂紋有很大影響，內裂紋更容易在柱狀晶區形成，而等軸晶有抑制內裂紋形成的作用。鋼中C含量對凝固組織有明顯影響，等軸晶區寬度在0.3%C附近達到最大值，過低和過高的含C量都使等軸晶區變窄，而裂紋敏感性增強。

C含量在0. 1% -0. 2%之間，P的偏析顯著增加，S的偏析由於受到NIn的抑制而隨C含量變化不大，枝晶間偏析顯著增加的同時，凝固前沿零塑性溫度(ZDT)顯著降低。錳元素在鋼中存在，Mn取代了Fe與S生成MnS沿晶界分布，MnS的熔點高於FeS，使鋼在高溫下的延伸率增大，而不影響鋼的高溫強度。

2.磷

鋼中P的偏析傾向極其嚴重，它不像S那樣受Mn的制約，因此，初始P含量的增加顯著加劇P在枝晶間的富集，極大地降低ZDT。為了控制鑄坯內裂紋，控制鋼中P的含量是十分重要的。

微合金元素

研究表明，橫向表面裂紋是惟一受微合金元素影響的連鑄產品缺陷。加Nb會較強地促進橫向裂紋的形成。但在含氮量較低時，加V不會導致裂紋。加Ti本身似乎不會產生裂紋，向含Nb鋼加Ti，會減少橫向裂紋。

有報告說Nb含量達到0. 01%時，橫向裂紋就急劇增加。大多數作者的報告認為:在含Nb鋼中，鋁含量增加也會使裂紋增加。氮的增加，也會促進含Nb鋼中橫向裂紋的形成，但若能將氮含量控制在0. 004%以下，這種狀況會減至最小。添加0.02%-0.04%的Ti就可減少橫向裂紋，但要安全消除裂紋，Ti含量需達到0.15%。大量研究表明，含Nb鋼採用微量的Ti可以減少鑄坯裂紋的產生，鋼中加入Ti以後，鋼在冷卻變形時，首先析出TiN顆粒，減少了Nb的析出量，使產生裂紋敏感性下降。

微合金化元素及其碳氮化析出物引起的晶界脆化，並使脆性區向高溫段擴展被認為是含鋸鋼裂紋敏感性強的原因。大家都很清楚:不論是固溶還是沉澱析出，微合金化元素可延遲再結晶，而且人們認為這種對再結晶的延遲作用，由於引起了晶界脆化，使延展槽向高溫區域延伸。但釩在延遲再結晶方面的作用比鋸要弱得多。

保護渣

保護渣渣膜在結晶器與凝固殼之間所起的潤滑作用以及填充坯殼與結晶器之間的氣隙以改善傳熱的作用決定了其對鑄坯質量有重要影響。鹼度、結晶溫度、熔化速度、粘度等是保護渣的重要指標。有報導說，由於保護渣粘度低、熔速慢導致鑄坯表面縱裂，通過調整這兩項指標使問題得到解決。加入結晶器內的保護渣熔融後，均勻、穩定的流入彎月面是防止

鑄坯產生表面縱裂的重要條件。保護渣單耗減少時，縱裂增加。足夠的保護渣單耗和足夠的熔渣層厚度是確保熔渣正常流入彎月面的前提條件。在實際生產中，經常會碰到雖有足夠的熔渣層厚度，但保護渣單耗仍較低，也會引起縱裂的產生，這可能是由如下原因造成:①保護渣吸收了鋼中(A1203)等高熔點的夾雜後粘度增高或者是黑渣操作時保溫不好而引起粘度增高，液渣流動困難;②由於浸入式水口插入較淺時，對鋼液面的擾動大，也會影響保護渣的穩定流入。保護渣的粘度是決定其使用性能好壞的重要參數。

結晶器

鑄坯內部角紋是在結晶器彎月面以下250 mm以內產生的，裂紋首先在固液交界面形成，然後周向不均、內表面劃傷、內表面變形等有可能導致表面縱向裂紋。結晶器表面鍍層磨損嚴重時，鑄坯表面滲銅會導致鑄坯表面網狀裂紋的產生。

冷卻工藝

拉速和水量對鑄坯內裂紋有顯著的影響。增大拉速和減小二冷水量都極大地增加鑄坯產生內裂紋的傾向。過熱度、拉速、比水量、分配比、噴嘴狀況等因素對於熱應力、坯殼厚度、冷卻的均勻性等都有著直接且相互關聯的影響，從而間接地影響著鑄坯裂紋的產生。因而需要針對鋼種、斷面尺寸，系統地匹配工藝參數。

防止連鑄坯產生裂紋的對策

1.化學成分的有效調控

化學成分，特別是微合金元素，由於其對延展性的影響，可以強烈地影響裂紋敏感性。這就告訴我們:為儘可能地降低裂紋，應從最終產品的要求出發，選擇能使熱延展性最大化的鋼成分。以下準則有助於使熱延展性最大化，使裂紋最小化。

選擇碳和合金添加量，避免包晶凝固，特別是避免碳含量在0.1%-0.13%;儘可能減少氮;使用釩或釩/氮來取代鋸;儘可能減少鋁;儘可能減少氮;向含鋸鋼中添加釩;考慮加鈦。

2.凝固組織的控制

凝固組織控制應儘量使鑄坯中柱狀晶減少，等軸晶增加。影響凝固組織的因素主要有鋼水成分、過熱度、冷卻條件等。實際生產中，有條件的企業可以採取如下措施來增加等軸晶組織。

1)在結晶器中加入鋼帶或微型鋼塊，減小鋼水過熱度。

2)在結晶器中噴吹金屬粉末，減小鋼水過熱度，增加形核核心，擴大等軸晶區。

3)控制二冷區冷卻，減小柱狀晶區寬度。

4)採用電磁攪拌。

3.工藝因素的合理控制

合理匹配工藝參數，使鑄坯在運行過程中均勻地冷卻，並且保證一定的坯殼厚度和坯殼強度，是二次冷卻的基本策略，此外，矯直時避開脆性溫度區間，對減少裂紋也十分重要。如果在脆性區內進行矯直，就會導致裂紋。若在高於或低於此溫度範圍的溫度上進行矯直，就可以使裂紋最小化。在世界各地的設備上，這些不同的冷卻策略(“弱”冷卻和“強”冷卻)都得到了套用，在減少矯直引起的裂紋方面，都獲得了一定的成功。

降低澆注溫度，可以減小內裂傾向。不均勻的二次冷卻可促進熱應力，進而導致裂紋，這就需要良好的噴嘴設計和維護，最好使用氣霧冷卻。

4.確保設備狀況良好

為了有效地控制鑄坯裂紋的產生，在已有的設備條件下必須提高維護水平，定期檢查設備的工作狀況，尤其是導輥是否變形、是否轉動、是否鬆動錯位;各扇形是否錯位、錯弧;噴淋環是否變形、轉動; 冷卻噴嘴是否堵塞等等。此外，合理地監測和使用結晶器，通過統計分析，制定過鋼量上限，嚴禁結晶器超期服役也是減少裂紋的重要措施。

5.使用合理的保護渣

雖然保護渣的設計應遵循基本的設計原則，但每台鑄機各有特點，實踐中須根據鑄機、鋼種、斷面、拉速等因素，有針對性地通過生產試驗研究，開發出最適宜的保護渣用以生產。

6.嚴格按操作規程生產，避免隨意性。

總結

在連鑄生產實踐中，幾乎不可能完全杜絕鑄坯裂紋的產生。鑄坯裂紋的產生必定伴隨著鑄坯局部應力或應變過大的現象。消除鑄坯裂紋的過程就是尋找產生過大應力或應變的原因，進而從設備、工藝等角度提出消除過大應力或應變措施的過程，期間，對該鋼種低延展性存在的溫度範圍的掌握將十分有利於裂紋的消除。