摘要：在板坯连铸生产中，板坯表面裂纹是比较常见的质量缺陷问题。特别是长度和深度比较大的严重纵裂，可直接判定整块板坯报废，甚至导致连铸生产过程中沿纵裂纹出现漏钢，给生产和设备造成严重危害。导致连铸板坯表面纵裂的原因有很多，既有钢水成分的因素，也有工艺和设备方面的因素。本文分析了板坯连铸生产过程中，导致板坯表面纵裂缺陷问题的成因，对消除质量缺陷的相关技术措施进行了探讨。
关键词：连铸板坯,表面纵裂,分析,控制
连铸板坯表面纵裂纹是板坯连铸生产过程中比较常见的质量缺陷问题，大多形成在板坯内弧侧宽度方向中间部位，沿拉坯方向分布。连铸板坯表面纵裂长短不一、深浅不同，严重的深度可达10mm以上。这种深度比较大的纵裂问题会严重影响板坯的力学性能，降低其抗拉和抗压强度，很容易导致漏钢的发生。即使是一些比较浅的裂纹，为了修复这些裂纹缺陷，可能需要采取焊接等额外的修补工序，因而增加了生产成本。连铸板坯表面纵裂纹的形成是一个复杂的过程，是连铸过程中力学因素和冶金特性综合作用的结果，与各种应力作用有关。这就需要我们从连铸板坯的生产阶段采取一些技术措施来控制和消除表面的纵裂缺陷。
1连铸板坯表面纵裂纹的外观形态
连铸板坯表面纵裂纹的外观形态，通常表现为沿铸造方向分布的直线或曲线状裂缝，这些裂缝可能深浅不一，宽度不同，并可能伴有不同程度的氧化变色。纵裂纹通常发生在板坯的表面，尤其是在宽面或窄面上，沿铸造方向延展，呈直线状或略呈波浪形。纵裂纹长度可以从几厘米到几十厘米不等，严重时可能贯穿整个板坯。多数纵裂纹主要存在于表面层，深度较浅，但严重时也可能深入铸坯内部，其形成通常与内部应力有关。由于高温下的氧化作用，裂纹周围常伴有颜色的改变，如蓝色或紫色的氧化铁痕迹。裂纹区域的表面可能较为粗糙，与周围的平滑区域形成对比。在裂纹形成的过程中，可能会有夹杂物的介入，这些夹杂物可能部分附着在裂纹壁上。通过显微镜观察，可以发现裂纹区域常有微观的空洞和夹杂物聚集。
2连铸板坯表面纵裂纹形成的机理分析
在连铸过程中，板坯表面与内部存在温度梯度，导致热应力。当热应力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂纹。这种不均匀的冷却和凝固过程中产生的热应力是导致表面纵裂纹的根本原因。连铸坯表面纵向裂纹的形成往往与表面纵向凹陷相伴随。这些裂纹通常形成于结晶器内，在二冷区得到扩展。其根源在于钢水在结晶器内的凝固行为及其影响因素，如成分、结晶器状况、过热度、拉速、保护渣等。各种原因导致的不均匀传热和不均匀凝固会造成铸坯凹陷，从而在坯壳的薄弱处造成应力集中，进而产生裂纹。此外，连铸坯表面纵裂纹还可能由于凝固前沿树枝晶间富集液相导致的枝晶间脆性，或由于结晶器中γ晶粒粗大导致的晶界脆性。在结晶器内初生坯壳的薄弱处，受到复杂应力的影响，形成纵裂纹。坯壳出结晶器后，二冷段上部过强的冷却或对弧不良等各种应力都会促进纵裂纹的进一步扩展和延伸。
3连铸板坯表面纵裂纹形成的原因分析
3.1钢液成分对连铸板坯表面纵裂的影响
（1）碳含量的影响。研究表明，在一定的碳含量范围内（如0.10％～0.16％），亚包晶钢连铸板坯容易产生纵裂。纵裂通常出现在板坯宽面中心区域，且与显微偏析有关。当浇铸钢种的碳含量在上述范围内时，钢的凝固处于包晶区。在固相线温度以下20～50℃范围内时，钢体积的冷却收缩可达到最大程度。而在铸坯较大的体积收缩的同时，则会因不均匀的热量流出而导致铸坯冷却的不均匀，并在铸坯表面产生凹陷。由于凹陷部位冷却速度较慢，因而该处组织粗化、凝壳脆弱，很容易因应力集中而出现裂纹。
（2）钢液中有害元素的影响。磷和硫是钢液中最为主要的有害元素，当钢中硫含量升高时，发生铸坯纵裂的概率会增加。这是因为硫化物在钢的凝固过程中容易在晶界处偏聚，使得晶界结合力减弱，进而导致高温下的材料抗拉强度降低，增加了裂纹的敏感性。钢液中的锰硫比可以影响到硫元素对板坯纵裂纹形成的敏感性。由于Mn与S的亲合力大于Fe与S的亲合力，足够的Mn存在时，大部分S与Mn结合形成MnS，以棒状形式分散在奥氏体基体中，不易形成裂纹。因此通过调整钢中的锰硫比，可以大大降低裂纹的产生。磷在钢中也是一种有害元素，它会显著增加钢的冷脆性，即使在较低的温度下也会导致钢材变脆；磷在钢中的溶解度有限，因此在凝固过程中容易发生偏析，特别是在钢的枝晶间区域。这种偏析导致局部磷含量升高，形成低熔点共晶组织，增加了钢的热脆性。这些因素都会增加铸坯出现内部裂纹的风险。
3.2拉坯速度的影响
拉坯速度主要会影响到铸坯表面坯壳形成的时间和凝固程度，进而影响到坯壳抗应力作用的能力，导致铸坯在应力作用下产生纵裂。一般情况下，拉速增加或是拉速波动都有可能导致铸坯表面产生纵裂纹。生产实践表明，在温度一定的条件下，当拉速大于1.05m/min时，纵裂情况发生显著增多。这主要是因为钢液在较高的拉速下凝固时间较晚，形成的坯壳较薄较软。在应力作用下表面很容易形成裂纹。拉速的频繁变化也会影响钢液停留时间，继而导致结晶器内钢液冷却的不均匀和初生坯壳厚度的不均匀。而坯壳厚度较薄的区域也容易成为应力集中区，容易因应力集中而出现裂纹。此外，拉速的不稳定会导致结晶器液面的不稳定。在结晶器内液面的频繁晃动下，保护渣渣层、渣膜厚度以及结晶器内的热流也会处于不稳定的状态。继而导致形成坯壳厚度不均匀，裂纹产生。
3.3保护渣性能的影响
根据研究，保护渣的导热性能、化学成分、黏度、熔化速度、碱度和熔化温度等关键参数对铸坯的质量有重要影响。如果保护渣的导热性能差，会导致铸坯在结晶器内的凝固不均匀，从而增加纵裂纹的风险。保护渣中的化学成分，如氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化锰、二氧化硅、铁等，这些成分的含量和比例会影响保护渣的粘度、熔化速度和玻璃化率，进而影响铸坯的表面质量。例如，保护渣中的氧化铝可以降低保护渣粘度，增加其流动性、熔化速度和促进玻璃化率的作用。但保护渣粘度过大或者过小都是不利于稳定传热的，应适当控制。此外，合适的熔化温度可以保证在整个结晶器长度方向始终存在一定厚度的液态渣膜，从而减少纵裂纹的产生。
3.4结晶器冷却水的影响
结晶器冷却水对结晶器内坯壳的形成有直接影响，主要体现在冷却强度、水质控制、热流密度比等方面。适当的冷却强度可以保证铸坯在出结晶器下口时有足够的坯壳厚度，从而减少表面纵裂的风险。如果冷却水流量过大，可能会导致坯壳与结晶器热面过早形成气隙，降低传热效果，反而会使坯壳变薄，增加裂纹的产生。良好的水质有助于保持稳定的冷却效果，避免因水质问题导致的局部过热或不均匀冷却，这些都可能导致铸坯表面纵裂的发生。当水中浊度达到一定程度时，其冷却效果会大大降低，水中的悬浮物及部分盐类会附着在结晶器铜壁及堵塞二冷喷嘴，导致润滑不均匀，从而在结晶器内产生裂纹，并在二冷区生长扩大，最终导致板坯表面纵裂纹等缺陷。通过调整结晶器宽面和窄面的冷却水流量，可以控制宽面与窄面的热流密度比。适当的热流密度比可以有效降低铸坯纵裂指数，减少表面细长纵裂纹的出现。
3.5钢液过热度的影响
钢液过热度对连铸板坯表面纵裂纹的影响主要体现在以下几个方面：坯壳厚度。当钢液的过热度过高时，在结晶器中铸坯的宽面会导出过多的热量，导致热量不均匀。这会使得钢液与结晶器冷却水间的温差增加，导致初生坯壳减薄；结晶器内温度梯度。当钢液的过热度较高时，结晶器内的温度梯度增大，这会导致坯壳热流增加。由于坯壳内外温差大，冷却速度不一，容易在坯壳形成过程中产生应力，从而增加铸坯表面纵裂的风险；拉坯速度。过热度较高时，可能需要降低拉坯速度，以防止坯壳过薄。但是，低拉速下，纵裂纹的发生率可能会上升，因为较慢的拉速会延长坯壳在结晶器内的停留时间，增加了坯壳受到的应力和裂纹发展的机会。
4连铸板坯表面纵裂问题的控制
4.1钢液成分控制
对于P、S、N和O等有害元素，需要通过转炉、电炉炼钢、二次精炼等炼钢工艺，将其含量控制在尽可能低的水平。例如，通过脱磷、脱硫和真空处理等手段减少这些元素的含量。在钢液成分调节中，碳的质量分数应避开0.1％～0.15％的裂纹敏感区。钢水过热度控制在15℃~35℃范围内，同时拉速也应适当降低。而作为钢液中有害元素的硫和磷，则应设法尽量降低其含量。根据质量标准和钢铁行业生产经验，综合生产效率和生产成本等方面的考虑，通常将连铸钢液中磷和硫的含量控制在0.025％以下。现代钢铁企业在炼钢过程中，会根据产品对硫含量的不同要求，选择高效、经济的脱硫工艺技术来控制钢中硫含量。此外，还可通过添加锰、钒、钛等合金元素，以改变钢的凝固模式，减少中心偏析，从而降低裂纹敏感性。但是，合金元素的添加也需要谨慎，以避免产生其他不利影响。
4.2拉坯速度的控制
首先，要选择最为合理的拉坯速度，连铸机的拉速应根据铸坯断面、浇注钢种、与冶炼炉配合要求及连铸机冶金长度等因素来确定。拉速的选择应确保在所浇注钢种允许的拉速范围内，并保证连铸机与上游冶炼设备相匹配。通常较慢的拉坯速度有助于坯壳更好地凝固，减少热应力和裂纹，但过慢的拉坯速度可能会导致结晶器内的钢水过度冷却，增加裂纹的风险。其次，要确保拉坯速度的稳定。拉坯速度的波动会导致结晶器内钢水液面的不稳定，从而影响坯壳的均匀凝固。最后，要考虑结晶器的冷却条件，避免坯壳过度冷却。为了兼顾生产效率和产品质量，可采用动态二冷配水技术。二冷水的动态配水技术可以对铸坯进行热跟踪，根据跟踪结果调节二冷水量，以实现液芯的充分凝固和坯壳的均匀冷却。这样可以避免因二次冷却不均匀导致的铸坯表面温度周期性回升，减少中间裂纹和皮下裂纹的产生，从而在提高生产效率的同时，也保证了铸坯的质量。
4.3钢液过热度的控制
钢液的过热度应控制在一定范围内，以确保铸坯质量。过热度太低可能导致铸坯内部质量问题，而过热度太高则会影响铸坯的均匀性和质量。根据相关研究，合理的过热度范围通常在10℃~25℃之间，中包温度目标严格控制在1525℃~1545℃之间。对于钢液过热度，可通过控制浇铸温度、调整拉坯速度、钢包温度管理、改善结晶器冷却等措施，有效地控制钢液的过热度。使用可靠的测温设备，如红外测温仪或浸入式热电偶，准确测量钢水的温度。为了确定最为合理的钢包温度，基于钢种特性和连铸工艺参数，可建立过热度控制模型，实时调整工艺参数，以保持理想的过热度。
4.4保护渣的控制
结晶器保护渣的主要功能包括绝热保温、防止空气中的氧进入钢水发生二次氧化、吸收溶解从钢水中上浮的夹杂物、在结晶器壁与凝固壳之间形成一层渣膜起润滑作用以及充填坯壳与结晶器之间的气隙，改善结晶器传热。为了实现上述功能，保护渣粉需要形成所谓的“三层结构”，即粉渣层、烧结层和液渣层。这要求保护渣粉具有一定的厚度，熔化速度适中，避免过快或过慢的熔化。通常在保护渣中加入碳粒子作为熔速的调节剂，以控制熔化速度。结晶器保护渣在钢液面上形成的液渣层厚度通常在10mm~15mm之间。
4.5结晶器冷却水的调整
一是结晶器冷却强度的调整，适当增大结晶器冷却水流量，可以增加结晶器内钢液的冷却速率，使坯壳在较短的时间内形成并增厚，减少了由应力引起的纵裂纹的形成。与此同时，保证冷却水温度、水质的稳定。二是优化锥度设计可以改善坯壳与结晶器之间的接触状况，减少摩擦和应力，从而降低板坯表面纵裂纹的形成。锥度值通常根据钢种、板坯尺寸和连铸工艺参数来确定。可通过电磁感应或其他检测手段监测坯壳厚度，了解坯壳在结晶器内的收缩情况，从而调整锥度以优化坯壳的均匀凝固。三是二冷水系统优化。通过优化二冷水的配比和流量，保持二冷水流量与拉速的同步调整，确保冷却过程的均衡进行，可以在铸坯继续凝固的过程中有效控制裂纹的发展。四是改进水口设计，优化浸入式水口的结构，如减小水口的尺寸、改进水口的形状等，可以改善结晶器内钢液流场和温度场的分布，促进保护渣的熔化和流动性，有助于均匀传热和坯壳的形成。总的来说，通过精细控制冷却水的流量、温度、水质以及与二冷水系统的配合，优化结晶器锥度和浸入式水口的设计等措施，可以显著降低板坯表面纵裂纹的发生率，提高连铸坯的表面质量。
5结语
连铸板坯表面纵裂纹的形成是一个多因素影响的过程，需要从钢水质量、工艺控制、冷却制度等多个方面进行综合考虑和改进。一些钢厂的生产实践表明，优化钢水成分、提高钢水纯净度、控制钢液过热度、优化结晶器冷却、调整结晶器锥度等措施，是消除和减少板坯表面纵裂纹的有效措施。通过综合管理和技术创新，连铸板坯的表面纵裂纹问题是可以得到有效控制的。
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