连铸坯裂纹机械应力

1.结晶器与坯壳之间摩擦产生的应力

尽管振动装置的使用改善了结晶器与坯壳界面的脱模条件，但摩擦依然存在并使坯壳产生应力。当结晶器相对于坯壳向上运动时，将作用于坯壳表面一个向上的摩擦力。由于摩擦力是表面力，因而会产生弯矩，进而在坯壳中产生弯曲应力。这个弯曲应力与轴向拉伸应力合成产生的合力为拉应力，当它足够大时，将引起内裂纹甚至使坯壳破裂。当结晶器相对于坯壳向下运动时，摩擦力方向向下，坯壳中的合成应力处于压缩状态。因此，结晶器的振动和摩擦在坯壳中产生的是一个循环应力。

2.钢水静压力使坯壳鼓肚产生的应力

当铸坯移出结晶器在导辊之间运行时，由于不再有结晶器壁的限制，加之钢水静压力也因压头高度的增加而有所增大，所以相邻两对导辊之间的坯壳容易发生鼓肚，同时在坯壳中产生应力。在相邻两导辊之间的中心位置处(鼓肚最显著处)，坯壳内表面(即凝固前沿)产生的应力为压应力，坯壳外表面产生的应力为拉应力，而在导辊位置处，应力状态正好相反，坯壳内表面产生的应力为拉应力，坯壳外表面产生的应力为压应力。由于铸坯在导辊之间是连续运动的，因此坯壳将发生“鼓肚-压回-鼓肚”的循环，相应地，凝固前沿的应力状态随之而发生“压缩-拉伸-压缩”的循环。一般的连铸生产，由鼓肚引起的应变约为0.2%-0.8%，这个数值是较大的，也是连铸所承受的应变中较大的一种，又由于鼓肚应变发生在整个连铸过程的早期，易于引发内部裂纹。如果这种裂纹发展到表面，就会引起漏钢事故。

3.矫直应力

从力学角度分析很容易理解，无论是一点矫直、多点矫直、还是连续矫直，内弧侧凝固坯壳总是受到拉应力的作用。当矫直应力较大时，会产生平行于矫直辊的表面横向裂纹，当带液芯矫直时，还会产生内部横向裂纹。

连铸坯裂纹热应力

连铸坯运行凝固时，铸坯表面与液芯、铸坯轴向、铸坯角部与表面这三个方向均存在温度梯度，造成各部分之间收缩量不同，产生了热应力铸坯出结晶器进入二冷区后，坯壳表面收缩较大，此时坯壳表面受到拉应力，而凝固前沿受到压应力。如果铸坯表面温度回升过大、过快，应力分布将随之而发生变化，极有可能使凝固前沿的压应力转变为拉应力，易于产生内部裂纹由于坯角易于冷却，当坯角冷却过快时，容易产生角部裂纹。

连铸坯裂纹相变应力

钢液在凝固过程中要发生相变，相变的产物往往有不同的比容。低碳钢在凝固过程中，要经过铁素体-奥氏体和奥氏体-铁素体固态相变，晶格由体心立方结构转变为面心立方结构，增加了原子结构的密实性，体积缩小;晶格由面心立方结构转变为体心立方结构，原子结构密实性降低，导致体积膨胀，这样在凝固坯壳中会产生应力。如果铸坯在低于90°矫直，此时相变和矫直应变叠加在一起，产生裂纹的危险性更大。

连铸坯裂纹设备因素引起的意外机械力

对弧、对中不准或导辊的弯曲、变形、位移等，会在凝固坯壳中产生一定的附加机械应力。导辊位移量在0. 5-1. 5 mm，产生的变形可达0.2%~0.4%。可见，弧形连铸机的对中、对弧精度是非常重要的。

连铸坯裂纹钢的脆性温度区间及脆化机理

钢有三个脆性温度区间，其大致温度范围、脆化机理如下。

1)高温脆性区，固相线温度以下30 ~ 70℃范围内。由于钢凝固过程中S、P等元素在枝晶间偏析，形成熔点低于固相线温度的液体薄膜，使钢的塑性急剧降低。

2)中温脆性区，1 200℃到Ar3温度(大约为800℃)。在这一温度区间，凝固组织为稳定的奥氏体，奥氏体中过饱和的s、o在晶界以(Fe、Mn) S .（Fe, Mn） O的形式析出，或者奥氏体晶界A1N . BN . Nb （C、N）等质点析出，引起晶界脆化，使钢的塑性降低。

3)低温脆性区，Ar3温度到600℃。在这个温度区间，发生奥氏体向铁素体的转变，铁素体呈薄膜状在奥氏体晶界析出，同时A1N, BN. Nb等也在晶界沉淀析出，使钢的塑性降低。

如果凝固坯壳中凝固前沿处于脆性区，同时又受到较大应力或应变作用，产生铸坯裂纹的几率将大大增加。

连铸坯裂纹化学成分

1.碳、硫、锰

含碳0. 20%左右的低碳钢最易于产生裂纹，这是因为发生包晶反应时，由于a相变成Y相伴随比容变化，而引起内应力(即相变应力)导致裂纹产生。还有研究证明，含碳0. 18%的低碳钢收缩值最大，而此时钢的展性低，因而对裂纹敏感性大。碳是影响钢性能的主要元素，生产中钢水含C量由生产的钢种决定，不能随意调整，但含C量高的钢内裂纹敏感性强。

凝固组织对内裂纹有很大影响，内裂纹更容易在柱状晶区形成，而等轴晶有抑制内裂纹形成的作用。钢中C含量对凝固组织有明显影响，等轴晶区宽度在0.3%C附近达到最大值，过低和过高的含C量都使等轴晶区变窄，而裂纹敏感性增强。

C含量在0. 1% -0. 2%之间，P的偏析显著增加，S的偏析由于受到NIn的抑制而随C含量变化不大，枝晶间偏析显著增加的同时，凝固前沿零塑性温度(ZDT)显著降低。锰元素在钢中存在，Mn取代了Fe与S生成MnS沿晶界分布，MnS的熔点高于FeS，使钢在高温下的延伸率增大，而不影响钢的高温强度。

2.磷

钢中P的偏析倾向极其严重，它不像S那样受Mn的制约，因此，初始P含量的增加显著加剧P在枝晶间的富集，极大地降低ZDT。为了控制铸坯内裂纹，控制钢中P的含量是十分重要的。

连铸坯裂纹微合金元素

研究表明，横向表面裂纹是惟一受微合金元素影响的连铸产品缺陷。加Nb会较强地促进横向裂纹的形成。但在含氮量较低时，加V不会导致裂纹。加Ti本身似乎不会产生裂纹，向含Nb钢加Ti，会减少横向裂纹。

有报告说Nb含量达到0. 01%时，横向裂纹就急剧增加。大多数作者的报告认为:在含Nb钢中，铝含量增加也会使裂纹增加。氮的增加，也会促进含Nb钢中横向裂纹的形成，但若能将氮含量控制在0. 004%以下，这种状况会减至最小。添加0.02%-0.04%的Ti就可减少横向裂纹，但要安全消除裂纹，Ti含量需达到0.15%。大量研究表明，含Nb钢采用微量的Ti可以减少铸坯裂纹的产生，钢中加入Ti以后，钢在冷却变形时，首先析出TiN颗粒，减少了Nb的析出量，使产生裂纹敏感性下降。

微合金化元素及其碳氮化析出物引起的晶界脆化，并使脆性区向高温段扩展被认为是含锯钢裂纹敏感性强的原因。大家都很清楚:不论是固溶还是沉淀析出，微合金化元素可延迟再结晶，而且人们认为这种对再结晶的延迟作用，由于引起了晶界脆化，使延展槽向高温区域延伸。但钒在延迟再结晶方面的作用比锯要弱得多。

连铸坯裂纹保护渣

保护渣渣膜在结晶器与凝固壳之间所起的润滑作用以及填充坯壳与结晶器之间的气隙以改善传热的作用决定了其对铸坯质量有重要影响。碱度、结晶温度、熔化速度、粘度等是保护渣的重要指标。有报道说，由于保护渣粘度低、熔速慢导致铸坯表面纵裂，通过调整这两项指标使问题得到解决。加入结晶器内的保护渣熔融后，均匀、稳定的流入弯月面是防止

铸坯产生表面纵裂的重要条件。保护渣单耗减少时，纵裂增加。足够的保护渣单耗和足够的熔渣层厚度是确保熔渣正常流入弯月面的前提条件。在实际生产中，经常会碰到虽有足够的熔渣层厚度，但保护渣单耗仍较低，也会引起纵裂的产生，这可能是由如下原因造成:①保护渣吸收了钢中(A1203)等高熔点的夹杂后粘度增高或者是黑渣操作时保温不好而引起粘度增高，液渣流动困难;②由于浸入式水口插入较浅时，对钢液面的扰动大，也会影响保护渣的稳定流入。保护渣的粘度是决定其使用性能好坏的重要参数。

连铸坯裂纹结晶器

铸坯内部角纹是在结晶器弯月面以下250 mm以内产生的，裂纹首先在固液交界面形成，然后周向不均、内表面划伤、内表面变形等有可能导致表面纵向裂纹。结晶器表面镀层磨损严重时，铸坯表面渗铜会导致铸坯表面网状裂纹的产生。

连铸坯裂纹冷却工艺

拉速和水量对铸坯内裂纹有显著的影响。增大拉速和减小二冷水量都极大地增加铸坯产生内裂纹的倾向。过热度、拉速、比水量、分配比、喷嘴状况等因素对于热应力、坯壳厚度、冷却的均匀性等都有着直接且相互关联的影响，从而间接地影响着铸坯裂纹的产生。因而需要针对钢种、断面尺寸，系统地匹配工艺参数 。

1.化学成分的有效调控

化学成分，特别是微合金元素，由于其对延展性的影响，可以强烈地影响裂纹敏感性。这就告诉我们:为尽可能地降低裂纹，应从最终产品的要求出发，选择能使热延展性最大化的钢成分。以下准则有助于使热延展性最大化，使裂纹最小化。

选择碳和合金添加量，避免包晶凝固，特别是避免碳含量在0.1%-0.13%;尽可能减少氮;使用钒或钒/氮来取代锯;尽可能减少铝;尽可能减少氮;向含锯钢中添加钒;考虑加钛。

2.凝固组织的控制

凝固组织控制应尽量使铸坯中柱状晶减少，等轴晶增加。影响凝固组织的因素主要有钢水成分、过热度、冷却条件等。实际生产中，有条件的企业可以采取如下措施来增加等轴晶组织。

1)在结晶器中加入钢带或微型钢块，减小钢水过热度。

2)在结晶器中喷吹金属粉末，减小钢水过热度，增加形核核心，扩大等轴晶区。

3)控制二冷区冷却，减小柱状晶区宽度。

4)采用电磁搅拌。

3.工艺因素的合理控制

合理匹配工艺参数，使铸坯在运行过程中均匀地冷却，并且保证一定的坯壳厚度和坯壳强度，是二次冷却的基本策略，此外，矫直时避开脆性温度区间，对减少裂纹也十分重要。如果在脆性区内进行矫直，就会导致裂纹。若在高于或低于此温度范围的温度上进行矫直，就可以使裂纹最小化。在世界各地的设备上，这些不同的冷却策略(“弱”冷却和“强”冷却)都得到了应用，在减少矫直引起的裂纹方面，都获得了一定的成功。

降低浇注温度，可以减小内裂倾向。不均匀的二次冷却可促进热应力，进而导致裂纹，这就需要良好的喷嘴设计和维护，最好使用气雾冷却。

4.确保设备状况良好

为了有效地控制铸坯裂纹的产生，在已有的设备条件下必须提高维护水平，定期检查设备的工作状况，尤其是导辊是否变形、是否转动、是否松动错位;各扇形是否错位、错弧;喷淋环是否变形、转动; 冷却喷嘴是否堵塞等等。此外，合理地监测和使用结晶器，通过统计分析，制定过钢量上限，严禁结晶器超期服役也是减少裂纹的重要措施。

5.使用合理的保护渣

虽然保护渣的设计应遵循基本的设计原则，但每台铸机各有特点，实践中须根据铸机、钢种、断面、拉速等因素，有针对性地通过生产试验研究，开发出最适宜的保护渣用以生产。

6.严格按操作规程生产，避免随意性 。

在连铸生产实践中，裂纹是铸坯的一种主要缺陷，据统计，铸坯各类缺陷中有50%为裂纹。铸坯中存在裂纹，严重的会影响到铸坯的后续加工以及最终产品的质量，甚至造成废品。浇注过程中，裂纹还会造成拉漏事故发生，影响连铸机的正常生产，造成钢水浪费。裂纹还会使铸坯热送技术和连铸连轧技术的采用受到影响。因此，防止铸坯裂纹产生，对稳定连铸生产、提高产品质量具有重要意义。

按照连铸坯裂纹产生的位置和形态可分为表面裂纹和内部裂纹。绝大多数内裂纹都是在凝固过程中形成的，故有时也称为“凝固裂纹”。从概念上讲，铸坯中从皮下一直到中心部位出现的裂纹都可以称为内裂纹，因此，内裂纹不仅包括凝固裂纹，也应该包括那些在凝固温度以下由于A1N、Nb 等质点在奥氏体晶界析出引起晶界脆化、在外力作用下形成的裂纹，只是后者所占比例很小 。

裂纹的形成是连铸过程中力学因素和冶金特性综合作用的结果，从裂纹的形成到出现，必须有作用应力，且材料本身不能承受此应力。因此，要理解连铸中各类裂纹的形成过程，就需要了解应力源和材料的高温特性，特别是延展性。而且需要指出的是，裂纹形成不见得均匀进行，可能有明显的裂纹开始和扩张阶段。下面就几种典型的表面裂纹和内部裂纹的形成机理进行分析。

连铸坯裂纹表面横向裂纹的形成机理

有证据表明，表面横向裂纹的早期形成阶段，出现在结晶器内的高温区，并且与振痕附近的偏析有关。这些区域熔点低，且由于向结晶器的热传输降低，而使温度较高，从而导致热扯裂。当碳含量达到出现包晶的程度时，表面横向裂纹增加，尽管表面横向裂纹的早期形成阶段，可能位于结晶器内，但这些缺陷变大、变多则是在结晶器之后的低温区，当其受到来自各种渠道的应力作用，特别是象铸坯矫直时那样的应力作用时，当这些应力出现在延展性差的温度范围内，表面横向裂纹很严重。由于热延展性受微合金影响强烈，所以有报道认为，这就是微合金元素影响表面横向裂纹的机理，除微合金元素析出物在表面横向裂纹的形核方面起一定作用外，振痕也有利于裂纹的扩张。这是由于振痕下的晶粒尺寸较粗大，且凹口形的几何形状也会使应力集中。

连铸坯裂纹表面纵向裂纹的形成机理

连铸坯表面纵向裂纹的产生往往与表面纵向凹陷相伴随。据认为，连铸坯表面纵向凹陷、裂纹是在结晶器弯月面附近产生，在二冷区得到扩展，因此，其根源在于钢水在结晶器内的凝固行为及其影响因素。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，凹陷部位冷却和凝固速度比其他部位慢，结晶组织粗化，对裂纹敏感性强。坯壳出结晶器后受到喷水冷却和钢水静压力引起的膨胀作用，在凹陷的薄弱处造成应力集中而产生裂纹。坯壳表面凹陷越深，坯壳厚度不均匀性就越严重，纵裂出现的几率越大。

成分、结晶器状况、过热度、拉速、保护渣甚至是操作等导致的不均匀传热，都增加了铸坯产生表面纵向凹陷和裂纹的几率。

连铸坯裂纹内部裂纹的形成机理

最初在结晶器中形成的2-5mm厚的凝固壳为细小的等轴晶，之后凝固组织变为柱状晶。柱状晶的方向基本上与坯壳表面垂直，且平行于热流方向。随着凝固的进行，S,P等元素发生偏析，在固液界面前沿及枝晶之间富集。含S,P较高的晶界在大体积材料的固相线温度Tsol下仍处于液态，对于与柱状晶方向垂直的拉应力或拉应变而言，处于液相的晶界几乎没有塑性。开始出现零塑性的温度ZDT比固相线温度低30 ~ 70℃,当结晶器摩擦力引起的应力、坯壳鼓肚应力、热应力、矫直应力、以及由于导辊变形、不对中引起的附加机械应力作用于凝固前沿时，凝固界面率先沿柱状晶晶界开裂形成裂纹，并向固相扩展，同时凝固前沿富含溶质元素的钢水有可能被“抽吸”进入裂纹。这就是内裂纹有时伴随着偏折线一起出现的原因。

初始形成的裂纹沿柱状晶晶界向固相扩展，由于温度逐渐降低，塑性和强度逐渐上升，或遇到表层等轴晶区，裂纹扩展被抑制。在随后的凝固过程中，如果凝固前沿继续受到应力或应变的作用，则已形成的内裂纹将随着凝固界面的推进而连续“生长” 。

在连铸生产实践中，几乎不可能完全杜绝铸坯裂纹的产生。铸坯裂纹的产生必定伴随着铸坯局部应力或应变过大的现象。消除铸坯裂纹的过程就是寻找产生过大应力或应变的原因，进而从设备、工艺等角度提出消除过大应力或应变措施的过程，期间，对该钢种低延展性存在的温度范围的掌握将十分有利于裂纹的消除 。2100433B

连铸坯缺陷其常见缺陷现象如下：

1、在连铸坯中常见的缺陷一般疏松、中心疏松、锭型偏析、一般点状偏析、边缘偏析、皮下气泡、内部气泡、缩孔残余、翻皮、白点、轴心晶问裂缝、非金属夹杂物、异金属夹杂物、表面裂纹、1/2半径（或对角线）处裂纹和心部裂纹等。以上各项均按结构钢低倍组织缺陷评级标准评定。

2、连铸坯低倍检验常见缺陷中心疏松、中心偏析、缩孔、表面角部裂纹表面边部裂纹、1/2半径（对角线）处裂纹、中心裂纹、皮下气泡、非金属夹杂物等。

3、连铸并经锻轧后的钢坯，低倍检验常见缺陷一般疏松、中心疏松、方框偏析；显微镜下检验非金属夹杂物等。

值得强调的是，连铸坯允许有“裂纹”。国内外某些企业将连铸坯的裂纹，按轻重程度分为4级，通常以2级以下作为机械工程设备关键部件用钢坯。通常即使是级别最低的裂纹，也易用肉眼发现，具有一定长度和数量；2级裂纹长度可达5～10 mm；3级裂纹长的可达10～20mm；4级裂纹长的可达20mm以上。实践表明，具有2级以上裂缝的管坯，其制管成材率较低，而1.5级裂缝则对制管成材率影响不大。

无氧铜连铸坯凝固是包含流动、传热、传质的动力学过程，也是具有高温、多相及相互影响特征的复杂体系，如何控制连铸坯凝固过程，减少铸坯微裂纹的产生对铸坯质量至关重要。本项目从连铸坯凝固行为、高温力学性能、作用在连铸坯上的各种应力应变、化学成分以及微观偏析行为等角度出发，探索铸坯微裂纹产生的机理和控制因素，对铜液凝固过程提出揭示枝晶生长的微观结构参数及其变化规律的数学模型，研究稳定性常数等微观参数和拉速等浇注参数对连铸凝固过程的影响规律；通过建立实时完全热-力耦合的凝固传热模型，预测铸坯在结晶器内温度分布和凝固状态，分析影响连铸坯铸造质量的因素；对连铸坯在结晶器内传热、流动、应力应变进行完全耦合计算，提出一种铸坯微裂纹产生的预测判据。本项目的研究成果将为我国无氧铜连铸工艺理论体系的完善提供有益补充，具有十分明显的科学意义和工程应用价值。

项目背景： 无氧铜连铸坯凝固是包含流动、传热、传质的动力学过程，也是具有高温、多相及相互影响特征的复杂体系，如何控制连铸坯凝固过程，减少铸坯微裂纹的产生对铸坯质量至关重要。 主要研究内容：本项目为了对无氧铜薄板坯连铸工艺参数进行优化和控制，通过前期大量实验数据分析，深入分析了铸坯在不同工艺条件下其内部的温度场、液穴、应力场分布情况以及彼此之间的规律，对优化工艺参数、提高铸坯质量有决定性的作用。以某铜加工厂连铸机为研究对象，通过PROCAST软件分别对不同工艺条件下温度场、液穴、应力场进行分析，探究不同工艺条件对温度场、液穴及应力场的影响；通过MATLAB拟合函数，找出不同工艺条件与铸坯在结晶器出口处温度之间的函数关系，分析其规律；研究了铸坯的收缩补偿措施，对收缩系数以及倒锥度与尺寸偏差、气隙的关系进行了分析。 重要结果及关键数据： 1）冷却水量、拉坯速度、浇注温度以及铸坯宽厚比对铸坯的温度场、液穴与应力场均有显著影响； 2）对无氧铜连铸薄板坯凝固过程中铸坯不同宽厚比、不同拉速、不同过热度、不同冷却水套换热系数下连铸坯凝固传热、凝固收缩以及热应力等的影响规律进行了分析，并给出了建议取值：连铸薄板坯宽厚比建议小于40，当宽厚比在20-40之间时，建议拉坯速度取值12-18mm/s，冷却水套对流换热系数取2000-3000 W/m2·℃，则可尽量降低铸坯裂纹等缺陷发生概率。 3）在工艺条件允许下，降低冷却水量、浇注温度、铸坯宽厚比和提高拉坯速度有利于降低铸坯温度场的温度梯度和减小铸坯内应力，对提高铸坯质量有明显帮助； 4）增大二冷区的冷却水量可以有效降低铸坯的温度； 5）不同工艺条件与铸坯在结晶器出口处温度呈明显的函数关系，对于企业生产有重要的指导意义； 6）收缩补偿措施的研究表明：倒锥度较小时，尺寸偏差与气隙都较小；收缩系数较大时，尺寸偏差较小，而气隙反而变大。 科学意义： 本项目的研究成果为我国无氧铜连铸工艺理论体系的完善提供了有益补充，具有十分明显的科学意义和工程应用价值。