连铸圆坯凝固传热行为与铸坯质量的控制

孙向东，朱立光，朱新华

(河北联合大学河北省现代冶金技术重点实验室，河北唐山063009)

随着连铸技术的发展，提高连铸坯产量和质量成为连铸技术研究的主要问题之一。连续铸钢技术是将液态钢水在浇注过程中连续不断地冷却凝固成固态，在这一高温过程中伴随着极其复杂的传质，传热，相变以及流动等物理化学现象。铸坯在冷却凝固传热过程中，由于受到复杂力的作用(机械应力，热应力，相变应力等)，从而对连铸坯的质量有着直接的影响，连铸坯在这一过程中所形成的各种缺陷(包括表面裂纹，内部裂纹，缩孔，偏析，变形等)基本上与温度的分布有关系。因此，在很大程度上来讲，通过研究连铸坯在二次冷却过程中的凝固传热行为，来合理的控制铸坯的冷却条件，从而提高铸坯的质量是非常有必要的。

连铸坯裂纹是影响连铸机产量和铸坯质量的重要缺陷之一。据生产资料统计铸坯各类缺陷中约50%为铸坯裂纹。铸坯出现裂纹，严重的情况时会导致铸坯出结晶器后拉漏，影响铸坯收得率;轻微裂纹也不能直接送轧钢厂进行轧制，必须进过精整处理者要进行精整处理，影响铸坯的热送率。因此说，铸坯一旦出现裂纹，就会影响铸机的生产率，产品的合格率。

铸坯产生裂纹与钢液凝固过程传热有极大的关系，因此，通过对铸坯在二冷区域传热的分析研究，来探索铸坯裂纹的成因相当重要。

1 连铸圆坯的凝固传热特点

1.1 连铸坯凝固过程实质上是热量的传递过程

钢液的凝固过程其实就是热量释放的过程，也是把液态钢水冷凝为固态钢水的过程。钢液在冷却凝固过程中释放出来的热量包括:

(1)过热，是指钢液从浇注温度开始冷却到浇注钢种液相线时释放的热量。

(2)潜热，是指钢液从液相线温度凝固到固相线时所释放出来的热量。

(3)显热，是指由固相线温度冷却至室温或指定温度时释放的热量。

在连铸机生产的过程中，钢水热量的释放分别经历了结晶器冷却(一次冷却)，扇形段喷淋冷却(二次冷却)和空冷。在一冷区，钢水在水冷结晶器中形成厚度和强度足够且均匀的坯壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏;在二冷区，喷水(雾)以加速连铸坯内部热量的传递;空冷区铸坯辐射传热，是铸坯内外温度均匀。传热方式包括了对流、热传导、辐射传热。影响铸坯热量传递过程的诸因素中，如果连铸机的设备和工艺操作确定的情况下，通过控制二次冷却来解决热量的传递问题成为一种重要的处理手段。

1.2 连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间液体转变为固体的热量传输过程

铸坯的凝固其实就是铸坯沿着液相穴固－液界面潜热释放和传递的过程。在固－液界面的糊状区，大约还有约10%钢液没有凝固，此时晶体强度非常小，而塑性等于零，当铸坯受到外力作用时，就在凝固前沿产生裂纹。这是铸坯产生内裂的原因。图1是内部裂纹形成的机理图。只有在固相线温度以下30～50℃，钢具有良好的塑性时，才能抵抗外力的作用而不产生裂纹［1］。

图1 内部裂纹形成的机理图

1.3 在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处理”过程

凝固坯壳在连铸机内被拉出的过程中，坯壳要承受热应力以及机械应力等作用，使得坯壳经历不同程度上的变形;同时，随着铸坯逐渐的凝固，温度的下降，坯壳在发生了δ－γ－α的相变，特别是二冷区，坯壳温度的反复下降和回升，使铸坯组织发生了变化，其作用相当于“热处理”过程。同时由于溶质元素的偏析作用，可能发生硫化物、氮化物质点在晶界处沉淀，增加了钢的高温脆性，对铸坯质量有重要影响。

2 凝固过程对铸坯质量影响探讨

在连铸过程中，坯壳凝固形成裂纹是连铸坯主要缺陷之一。在生产过程中受设备、工艺

操作等多方面的影响，因此，产生裂纹的原因是复杂多变的，但最根本的影响因素是钢在高温下的力学行为。了解和掌握钢在凝固过程中坯壳力学行为的变化规律，才能对设备进行精益的设计，才能在工艺操作方面采取行之有效的对策，最终提高连铸生产比，防止铸坯裂纹的生成。

1977年，Brimacombe和Sorimachi在分析前人的基础上，二人共同提出了钢在高温下存在三个明显的强度脆性区间，并且分析了不同元素对钢高温力学性能的影响以及钢在高温下的三个脆性区变化对连铸坯裂纹的影响。脆性区域是最容易导致铸坯内部裂纹发生的关键性所在。下面着重分析三个脆性温度区域对铸坯裂纹的影响:

(1)第一凝固脆性区(1300℃－凝固温度Ts)。当钢液温度逐渐下降至固相线温度以上20～30℃时，由于有凝固相的析出，晶体能够传递微小拉伸力，随着钢液温度的继续下降，钢液继续凝固析出固相，此时钢能够承受的拉伸力有所提高，但是钢的塑性仍然没有提升。当温度下降到固相线温度以下40～50℃时，表征钢塑性的断面收缩率开始出现转折。蔡开科文献［2］指出零强度温度和零塑性温度越低，发生裂纹的可能性越大，而杂质元素含量的增加，使得第一脆性区域向低温方向移动，这是造成铸坯产生内部裂纹的根本原因。

(2)第二脆性区域(1200～900℃)。铃木洋夫［3］等人的研究结果表明，在这一温度时，高温奥氏体固溶的S，O等元素以(Fe、Mn)0，(Fe、Mn)S，A1203等形式在奥氏体晶界沉淀，沉淀物沿晶界长大，最终降低了晶界强度，在应力作用下容易在晶界产生裂纹，裂纹沿晶界扩展、长大，造成沿晶断裂。奥氏体晶界上的析出物越多、越细小，钢的脆化越严重。蔡开科［2］认为在高温塑性区(1300～1000℃)，一般来说在此区钢塑性良好，R.A.在80%～90%，一般不会产生裂纹。如果出现R.A.值明显下降(＜60%)，则铸坯表面产生裂纹。

(3)第三脆性区(约900～600℃)。第三脆性区域的脆化可进一步分为γ单相区低温域(800～900℃)的脆化和(α+γ)两相区高温域(700～800℃)的脆化。γ相低温域脆化的主要原因是［4］，在γ晶界Nb，Al等以碳氮化合物形式析出，如果单纯凭借γ晶界滑移产生应力集中来破坏晶界并不可能，主要是由于滑移力的作用远远小于Nb，Al化合物在晶界析出对晶界破坏所起的作用。(α+γ)两相区高温域产生脆化的原因在于沿γ晶界铁素体α相析出。在这一温度区域，α相的强度大约只是γ相的1/4。应力作用下，变形主要集中在沿γ晶界分布的α相中，α相存在的空洞和微小裂纹聚合长大最后发展成裂纹。该区域钢的脆化与γ晶界析出的α相形态、尺寸有关，α相呈细薄网膜状时，脆化最为严重。第Ⅲ脆性区主要在低应变速率(10－4－10－2·s－1)下出现，连铸过程铸坯弯曲、矫直以及鼓肚变形等的应变速率在10－3－10－4·s－1，因此连铸坯弯曲和矫直时表面温度在第Ⅲ脆性区时易于产生表面横裂纹。

3 连铸二次冷却概述

连铸二次冷却是连铸生产过程中的一个重要组成部分，它的作用在于对离开结晶器后的铸坯进行均匀连续冷却，使其逐渐完全凝固，同时对铸坯起支撑导向的作用。二次冷却对铸坯的凝固组织、内部裂纹及表面裂纹有着直接的影响。因此，二次冷却系统应以铸坯的凝固传热规律为基础，保证铸坯均匀冷却。二冷区的传热复杂多变，有辐射传热、喷淋水传热、水聚集蒸发传热和支撑导向辊的接触传热。由于铸机的机型以及冷却方式各异，各种传热方式所传递的热量不一样，但喷水传热始终占主导地位。影响连铸坯热量传递的各因素中，如果保证铸机设备和操作工艺稳定的前提下，只有通过控制二次喷水冷却来实现铸坯正常的传热。因此，对于连铸生产过程来说，控制合理的铸坯喷水冷却是改善铸坯传热，提高铸坯质量的重要手段［5］。

对于二次冷却强度大时，连铸坯冷却强度增加，从而导致铸坯凝固速度加快，其作用效果是提高拉速，从而实现产量的提升;其弊端是可能由于铸坯过冷造成矫直温度过低，在矫直时进入钢种脆性温度范围，导致铸坯各种裂纹发生率增加，不利于铸坯质量的提高。

相反情况下，铸坯弱冷降低了铸坯断面温度梯度，从而利于中心等轴晶的发展，对铸坯质量的控制有益;但是由于坯壳抵抗钢水静压力的能力减弱，铸坯鼓肚和漏钢等的风险增大，与此同时面临着生产效率降低，成本相对提高。

除此之外，二次冷却水量的合理分配也不容忽视。对于圆坯来说，如果二次冷却水量分布不合理则可能造成圆坯椭圆度和纵裂纹的产生和扩大。二次冷却过程中沿拉坯方向水量分布不均匀必然导致铸坯表面温度回升和下降，这样的情况出现，必然使铸坯承受热应力变化之中，如果应力超过抗裂应力则必然导致铸坯表面裂纹或中间裂纹的发生，甚至扩大原有的各种裂纹。

因此，合理的二次冷却系统应该满足以下要求:(1)冷却效率高，保证热量传递效率;(2)喷水量适宜，包括铸机拉坯方向和圆周方向上的冷却要均匀;(3)气雾冷却水粒化水滴蒸发比率要高，以保证冷却效率的最大;(4)在铸坯表面上未蒸发水的停留时间越短越好，防止局部水停留造成局部过冷。

4 二次冷却对铸坯质量影响的探讨

连铸坯在二次冷却过程中，铸坯纵向和横向的温度出现着反复的回温降温过程，这就预示着铸坯在凝固过程中，冷却坯壳与液相，轴向方向存在一定的温度梯度，也因此，铸坯内部向铸坯表面方向存在密度的梯度，随着拉坯过程的进行，原来的密度不平衡被打破，在铸坯内部产生热的应力，易于产生铸坯内部裂纹。二冷强度也是铸坯产生内部裂纹的一个主要原因，当二次冷却强度增大时，铸坯表面与铸坯中心之间存在着较大的温度梯度，此时铸坯收缩凝固承受张应力，而在固液界面承受压应力，比较容易在枝晶结合薄弱处撕裂，造成裂纹的发生。

5 减少铸坯裂纹的对策

5.1 从凝固传热角度考虑

(1)从凝固传热角度出发，应该避开钢的第一脆性区域和第三脆性区域。由于杂质元素含量的增加就会使得零强度温度和零塑性温度降低，从而增加了裂纹形成的几率。C含量对连铸坯内部裂纹的形成有明显的影响，一般情况下随着碳含量的增加裂纹指数增加，碳含量应避开对裂纹敏感的包晶区范围(0.14%～0.18%)。这是因为随着碳含量的增加，树枝晶的显微偏析以及包晶反映收缩加剧促使裂纹生成;磷对钢的热塑性影响较复杂，磷含量增加将显著增加磷在枝晶间的富集，枝晶间的偏析增加，晶界脆性也随之增大，从而降低了钢的高温塑性，容易产生裂纹;钢中硫元素含量的增加能够促进铸坯横裂纹的发生，其原因是在铸坯凝固过程中形成的硫化物在奥氏体晶界沉淀析出，造成晶间脆性增强，强度降低，从而破坏了钢的连续性，进而促进表面横裂纹的扩展。钢中锰含量对硫元素在奥氏体晶界的析出具有显著的影响，能够使Mn和S结合生成MnS，以棒状形式分散在奥氏体基体中，而不易形成裂纹。图2，图3硫含量以及硫锰比对铸坯裂纹的影响。因此必须控制钢水中硫、磷含量并提高锰硫比。一般要求钢水中硫、磷含量小于0.02%，锰硫比大于30。

(2)根据铸坯凝固传热特性，保证二次冷却能够更加合理对铸坯进行冷却，许多学者在长期实践研究中，提出相关冶金准则［6］。

(1)矫直区铸坯表面温度限制准则。如果矫直时铸坯表面温度位于低延性区，再有AIN，Nb(C，N)等质点在晶界析出降低钢的延性，因此在矫直力作用下，就会在振痕波谷出现表面横裂纹。因此，二冷区铸坯表面温度的分布应满足钢种的高温延性曲线，控制在钢延性最高的温度区，一般控制在900℃～1100℃;

(2(铸坯运行方向上表面温度回升限制准则。表面温度的过度回升将会导致坯壳膨胀，在凝固前沿产生过大的张应力，当张应力超过钢的高温允许强度和临界应变时，铸坯表面和中心之间就会出现裂纹。当铸坯接近凝固终点时，还可能由于表面温度过大的回升产生中心偏析线和中心裂纹。根据连铸坯的高温力学行为，控制铸坯在凝固过程中表面温度回升的最大值不超过100℃/m;

(3)铸坯运行方向上表面快速冷却的限制准则。快速的二次冷却方式将会使得铸坯表面处于张应力状态，它可能在混合力作用下在低延性区域形成新的裂纹，也可能扩大原有裂纹。一般来说，要求冷却速度小于200℃/m;

(4)二冷区铸坯表面温度限制准则。避免铸坯表面温度出现频繁波动并且能够保证铸坯表面温度在较小区间内变化或保持不变，对于生产高质量钢种具有重要作用。铸坯表面温度的过大波动与表面温度过低使得铸坯断面温度差过大，都可以促使裂纹的产生。因此，要保证铸坯表面温度波动不大为宜。

以上铸坯的凝固传热都可以通过调整优化冷却系统的冷却强度和总的冷却水量的方式来实现。

5.2 从凝固传热角度考虑

5.2.1 控制稳定的拉速

在连铸生产过程中，铸机拉速是否稳定对铸坯的质量也有着重要的影响。铸机拉速的突然上升会导致水量的上升，会使得铸坯突然急冷产生收缩，在表面张应力和固液界面的压应力作用下，诱发铸坯裂纹。铸机拉速突然下降必然会使得二次冷却水量下降，降低拉速后铸坯表面温度回升，在热应力和机械应力作用下出现裂纹的几率会明显提高。同时，拉速变化频率增加，会使得凝固末端位置的频繁变化，凝固末端附近凝固前沿“搭桥”的概率相应增加，最终诱发中心裂纹［7］。图4为拉速对铸坯纵裂纹的影响。因此，恒定连铸拉速，既可以保证生产节奏正常化，也可以使铸坯在二次冷却供水稳定，保证铸坯的传热稳定，液相穴的长度稳定，从而减少了铸坯的表面裂纹和中心裂纹。

图4 拉速对铸坯纵裂纹的影响

5.2.2 控制合适的钢水过热度

提高钢水过热度，对铸坯表面温度的影响较小。在相同拉速下，提高钢水的过热度，铸坯表面温度略微增加，其主要是使得出结晶器坯壳厚度变薄，使得铸坯的凝固末端位置增大［8］。图5为过热度对铸坯表面温度和坯壳厚度的关系图。由于铸坯坯壳薄，承受钢水静压力的能力大大减弱，从而影响铸机拉速的提升，也容易在机械力和热应力作用下产生裂纹，同时铸坯柱状晶发达，使材料呈各相异性，容易使裂纹扩展，且易出现“搭桥”现象。低过热度是连铸扩大等轴晶区的有效手段，降低钢水的过热度，使钢水在接近液相线温度进行浇铸，从而获得细小的铸态组织［9］。因此，合理的过热度是保证浇注稳定顺利进行的前提条件，也是保证获得优质铸坯的重要因素之一。理想过热度应该控制在25～30℃。

图5 过热度对圆坯表面温度和坯壳厚度的影响

5.2.3 控制合适的铸坯冷却强度

表面温度的升降直接反应了冷却强度的高低，冷却强度减弱，铸坯的表面温度提高［10］。图6为不同冷却强度对铸坯表面温度的影响。二次冷却水对铸坯质量的影响较严重，铸坯过冷将导致柱状晶发达，使钢的高温强度降低，同时由于柱状晶的各向异性，易引发裂纹;铸坯冷却强度不够，形成的坯壳薄，容易产生鼓肚。铸坯在冷却凝固过程中，由于铸坯在圆周方向上冷却强度及散热量不同，引起铸坯在圆周方向上温度不一致，则会产生局部热应力，从而造成铸坯的质量缺陷。铸坯在拉坯方向冷却水量分布不当会导致铸坯温度降低或回升过于频繁，造成铸坯温度不同从而导致钢的收缩量各异，产生的热应力和相变应力，使得铸坯中心部位撕开形成中心裂纹。因此，对于不同钢种，不同直径的圆坯采取合适的冷却制度，保证铸坯均匀冷却，稳定生长。

图6 冷却强度对铸坯表面温度的影响

6 结论

(1)圆坯凝固传热与铸坯质量之间存在着较大的关系，在连铸钢液凝固过程中必然要经历三个脆性区，在脆性区容易引发裂纹，通过分析可以从减少杂质元素含量、在矫直前避开脆性温度以及铸坯表面回温，降温来进行控制;

(2)二次冷却在对铸坯冷却的过程中其实也是通过传热来影响铸坯质量的。通过控制浇注过程中的浇注过热度、拉速、二次冷却强度来控制冷却水量对铸坯传热的影响，从而减少铸坯裂纹，获得优质铸坯。

［1］ 蔡开科.连铸坯凝固过程特点［J］.北京科技大学学报，2005(4):31.

［2］ 蔡开科，秦哲，孙彦辉.连铸坯凝固过程坯壳变形与铸坯裂纹控制［J］.北京科技大学学报，2008(5):43.

［3］ 铃木洋夫，酉村哲，今村淳中村泰.Hot Ductility in Steels in the Temperature Range between 900℃ and 600℃.1981.

［4］ 常桂华，曹亚丹，吕志升等.连铸坯的高温力学性能分析［J］.鞍钢技术，2007，348(6):25-29.

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［7］ 毛炳良，任兵芝，韩志伟.大圆坯连铸凝固传热过程的数值模拟［J］.工业加热，2012，41(3):50-53.

［8］ 曾智，韩占光，李景等.大圆坯连铸二冷配水设计模型的开发［J］.特殊钢，2011，32(3):1-4.

［9］ 马交成.连铸坯凝固过程传热模型与热应力场模型的研究及应用［D］.沈阳:东北大学，2009.

［10］ 兰晔峰，张保林，李慧春.连铸二次冷却过程建模与参数分析［J］.热加工工艺，2008，37(21):61-64.