连铸板坯角部横裂纹产生原因与控制

许孟春，李德军，张宁

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

近年来，随着我国交通运输、石油化工、重型机械、海洋工程、核电、军工等行业的技术进步和快速发展，对钢铁产品的质量、性能、规格等提出了更高的要求，对连铸坯的质量要求也更加严格。角部横裂纹是连铸坯较严重的表面缺陷之一，常出现在包晶钢和含Al、Nb、V、Ti和B等微合金元素对裂纹敏感性强的钢种，在铸坯上多呈 “跨角裂”形式，加热和轧制后，角部缺陷可传递到热轧板卷上，使其边部产生翘皮缺陷，严重时钢卷边部开裂，引起严重的质量事故［1］。

角部横裂纹发生于连铸坯角部的晶间，属于晶间裂纹，常常被氧化铁所覆盖，因此难以检查和清理，增加铸坯降级量和报废量。目前，对角部横裂纹多采用火焰清理的方式进行挽救，但当裂纹较深时，火焰清理也无法修复，铸坯角部裂纹缺陷仍将传递至热轧板卷上。对铸坯进行火焰处理不仅造成大量的能源、材料、人力资源的浪费，而且因为铸坯需下线进行冷态清理，会导致铸坯不能进行热装或热送，铸坯的加热能耗大幅增加，同时也将打乱炼钢—连铸—轧钢流程的高效化生产节奏［2-3］。因此，如何防止连铸角部横裂缺陷的产生一直是炼钢连铸生产中重要的研究内容。

1 角部横裂纹的形成机理

在连铸过程中，由于钢种特性、连铸工艺、设备及操作条件等原因，在板坯角部垂直于浇注方向常出现横裂纹缺陷，并向板坯两面延伸，在铸坯的内外弧面角部均可产生，但多产生在铸坯的内弧面角部［4-5］。图1为典型的板坯角裂宏观形貌。

连铸是一个复杂的生产过程，带液芯的坯壳从结晶器进入二冷区边运行边凝固。在此过程中，坯壳同时承受钢水静压力、弯曲矫直力、热应力、摩擦力、相变力和意外的机械力等共同作用，若坯壳生长不均匀，当上述应力超过凝固前沿钢的高温强度极限和允许应变时，在坯壳薄弱处就可能产生微细裂纹。板坯角部为二维冷却，角部温度一般下降较快，当冷却不均匀或者局部冷却强度过大，板坯弯曲和矫直时，角部温度处于高温低塑性区，在微裂纹处产生应力集中，如果处于脆化温度区，将加速横裂纹的形成和扩展，最终在铸坯的角部形成角部横裂纹。

Mintz 和 Meahara［6-7］等研究认为，振痕的存在增加了角部横裂纹的发生率。由于振痕波谷处常填充有保护渣，传热不良，坯壳较薄，凝固组织粗大，且强度低。同时，振痕波谷处又常有Al、Nb、V等微合金化元素形成的碳化物、氮化物和碳氮化物在奥氏体晶界处析出，弱化晶界，降低晶界的结合力，导致塑性降低，进而促进晶界裂纹扩展，对裂纹敏感性增加。Harada［8］等人研究认为，振痕底部S、P元素偏析渗透到奥氏体晶界也能促进裂纹的扩展。鄂钢对角部横裂发生几率与振痕深度的关系进行过跟踪，结果见图2所示［9］。由图2可以看出，振痕愈深，角部横裂纹指数愈大。

2 影响角部横裂纹产生的因素

2.1 钢水成分对角部横裂纹的影响

（1）C 的影响

当钢水中的C含量处于包晶区域时，钢水在凝固过程中由于发生包晶反应，使初生坯壳在弯月面处发生δ―γ相变，伴随着最大的体积收缩和线收缩，导致结晶器初生坯壳脱开铜壁形成较大气隙，使靠近弯月面和角部区域处的凝固坯壳收缩很不规则，坯壳生长不均匀。同时，在坯壳薄弱处及角部粗糙、折皱处，特别是振痕波谷处，由于冷却相对较慢，组织粗化，铸坯的强度低、塑性差，在热应力和机械应力的作用下，振痕波谷处应力集中使产生裂纹的倾向增加［10-11］。

（2）微合金元素的影响

若钢中含有Al、Nb、V等微合金化元素，这些合金化元素在钢中形成的碳氮化物可用于调节形变奥氏体的再结晶行为和阻止晶粒长大，间接起到细化晶粒的作用，并对钢产生沉淀强化，从而提高钢材的强度、韧性、可焊性和抗蚀性［12］。

但Nb、Al、V等对铸坯低温热塑性区的脆性影响很大，能够扩大低温热塑性区的脆性范围。在连铸过程中，若控制不好，Nb、Al、V等形成的大量微细氮化物和碳氮化物在γ晶界析出，抑制动态再结晶进行。同时，在应力作用下发生塑性变形时，沿γ晶界的微细析出物作为应力集中源点，与晶界脱开形成微孔，同时在晶界滑移作用下，使微孔逐渐连接形成裂纹［13］。

而B在钢中主要通过粗化晶粒使钢的强度降低，同时在凝固过程中B的偏析趋势较大，且振痕越深偏析越严重。由于凝固时振痕处的冷却相对铸坯表面较弱，在铸坯振痕处会出现相对的返温现象，而B的偏析会进一步催化晶粒的生长，使振痕处晶粒粗大，强度降低，当所受应力超过铸坯的强度时，便形成振痕裂纹。

（3）杂质元素 S、P的影响

S在钢中的溶解度极小，与铁生成FeS，而生成的FeS和FeO能够形成低熔点的热脆性共晶体并在晶界析出，促使晶界处产生裂纹，因此炼钢生产需要降低硫的含量。研究表明，硫在晶界的偏析或细小硫化物在晶界的析出对钢的热塑性和横裂纹敏感性有重要的影响，减少钢中硫含量，可以降低钢的热裂纹敏感性，进而降低铸坯角部裂纹的发生机率［14-15］。

P是钢中的有害元素。有学者认为，沿振痕波谷处P元素的偏析会增大振痕波谷处奥氏体晶界脆性，降低钢的高温强度，进而促进裂纹的产生［16］。

（4）残余元素的影响

钢中Cu、Sn、As和Sb等残余元素在γ晶界偏聚和富集会增大横裂纹的发生倾向。而板坯角部存在反复的冷却与回温现象，这使残余元素的偏聚和选择性氧化的倾向增加，进而形成低熔点富集相，降低γ晶界的能量，并推迟γ向α的转变，使薄膜状α在很宽的温度范围内存在于γ晶界处，使晶界强度降低。由于铁素体相的强度只是奥氏体相的l/4，则在沿奥氏体分布的铁素体相中产生较大的形变，若所受应力大于晶界处分布的铁素体相所能承受的应力时，则在铁素体相中形成空洞，在应力作用下，形成的空洞会逐渐连接形成角部横裂纹［17］。

2.2 结晶器控制对角部横裂纹的影响

（1）结晶器锥度

对板坯而言，结晶器锥度对角部横裂纹的控制有重要作用。板坯在凝固过程中，若结晶器窄面锥度过小，由于凝固收缩使得结晶器下部的坯壳与结晶器壁产生空隙，进而使坯壳生长的速度降低，容易造成窄面坯壳厚度变薄，使窄面产生鼓肚，严重时甚至造成漏钢。若结晶器窄面锥度过大，则凝固坯壳受到结晶器窄面铜板的压力增大，使结晶器与铸坯之间存在的摩擦力增大，由于一定厚度的坯壳在出结晶器时，除了会受到驱动力的作用外，也受到拉应力的作用，进而导致板坯角部裂纹的产生，并使形成的裂纹进一步扩展［18］。因此，在开浇前应根据钢种、断面要求设定适当锥度，避免铸坯角部冷却强度不当与受力不均，产生角部裂纹缺陷。

（2）结晶器冷却水

在连铸过程中，结晶器内的传热与冷却对改善铸坯质量有重要影响。结晶器导热均匀与否将会影响铸坯初生坯壳的厚度是否均匀，同时也会影响铸坯的表面质量。如果结晶器的冷却水量过小，结晶器内形成的坯壳厚度则较薄，坯壳强度较低，在拉坯过程中，若铸坯所受摩擦力超过钢的高温强度极限时，在坯壳的薄弱处就会形成微细横裂纹，并在连铸过程中进一步扩展和延伸。尤其是包晶钢，由于坯壳凝固时产生的线性收缩较大，结晶器内冷却强度越大，坯壳的不均匀程度就越严重［19］。同时，如果结晶器四角冷却水缝不均匀，会导致铸坯角部坯壳的厚度与强度不均，从而在角部坯壳的薄弱部位产生角部横裂纹。

（3）结晶器液面

当结晶器液面波动较大时，结晶器内保护渣流动的均匀性变差，致使保护渣的液渣不能均匀且稳定地流入到坯壳与结晶器壁的间隙内，并易使保护渣卷入到坯壳，影响铸坯质量。同时，结晶器液面波动大也会使铸坯表面形成不规则振痕，出现深振痕等缺陷。在深振痕的波谷处，由于铸坯坯壳的传热效果较差，易形成表面横裂纹。同时，若因为液面波动较大而调整拉速时，二冷区冷却水量和在各扇形段的分配也随之改变，但由于铸坯表面温度变化同拉速和水量的变化有一定的滞后性，致使铸坯表面温度波动较大，铸坯所受的热应力增加，进而促进了裂纹的形成，或使已形成的裂纹进一步扩展。

（4）结晶器振动

结晶器振动的主要作用是产生负滑脱，使铸坯脱模，但振动也使铸坯表面产生振痕，振痕深处树枝晶粗大，夹渣、成分偏析严重，弯曲矫直时产生切口效应，成为裂纹的发源地，且负滑脱时间越长，振痕越深，则越容易在铸坯的表面和角部产生横裂纹［20］。虽然减小负滑脱时间能够显著减小振痕的深度，但如果负滑脱时间过小，则会造成坯壳与结晶器壁发生粘结。

2.3 钢水过热度和拉速的影响

钢水过热度和连铸拉速对板坯角部横裂纹的产生有重要的影响。适当提高钢水过热度可以改善钢水的流动性，在一定程度又影响结晶器液面的稳定和铸坯的矫直温度。过热度过大，形成的坯壳较薄，承受钢水压力的能力较差，在坯壳薄弱处易产生裂纹，同时铸坯偏析及疏松严重。但过热度过小则会使钢水流动性变差，中间包水口易粘钢堵塞，造成结晶器液面波动，同样易产生裂纹，影响铸坯表面质量。所以应根据钢种特点及对裂纹的敏感性选择合适的中间包过热度。

拉速的大小影响坯壳的传热量。拉速较大时，坯壳在结晶器内停留时间短，传热少，坯壳较薄，在振痕波谷处易产生热应力。当拉速较小时，坯壳在结晶器内的停留时间较长，坯壳较厚、振痕较深，在振痕深处溶质元素富集，树枝晶粗大，在应力作用下成为裂纹源，而且当二冷区冷却越强、坯温则越低，微裂纹发生机率越高。

2.4 二次冷却对角部横裂纹的影响

二次冷却强度是保证铸坯质量的关键，采用合适的冷却强度能够改善铸坯的角部质量。若二冷整体冷却强度过大，因角部区域是二维冷却，同时中心部位的冷却水沿表面向边部流动，将加速铸坯角部过冷，使得角部区域的温度在矫直时处于第Ⅲ脆性温度区(一般在700～900℃)，并由于应力集中大于钢的极限应力，造成铸坯角部裂纹。同时，若铸坯角部温度过低，易导致Nb和Al等微合金元素形成的碳氮化物和氮化物在奥氏体晶界上析出，使铸坯的高温塑性降低，进而在晶界处形成裂纹，使角部横裂纹发生倾向增加。而二冷水配置不当会造成回温，特别是当角部区域温度存在反复的冷却和回温现象时，会使残余元素的偏聚和选择性氧化倾向增加，促进角部裂纹的形成［21］。因此，需选择合适的二冷制度，使铸坯进入矫直段表面温度均匀且普遍高于900℃，尽量使角部温度避开脆性温度区，使铸坯角裂得到改善。

2.5 保护渣性能对角部横裂纹的影响

保护渣性能对铸坯横裂也有重要的影响，粘度是反映保护渣形成液渣后流动性能好坏的重要参数，粘度太小，流入的熔渣多，形成的渣膜厚，由于流动性过强，易造成坯壳与铜板之间的渣膜不均匀；粘度过高则影响保护渣的铺展性和熔化性，致使角部振痕加深，产生角部横裂纹［5］。

保护渣的熔化速度对在钢液面形成的液渣层厚度及保护渣消耗量有重要的影响。液渣层过薄会造成结晶器润滑不良，但液渣层过厚则会使保护渣的消耗量增加，同时使振痕深度加大。熔速偏高或熔化均匀性差，导致保护渣传热过强或流入不均，凝固坯壳极易出现较大横向热梯度，导致坯壳凝固厚薄不均，在振痕底部坯壳薄弱部位，易产生应力集中，成为角裂的起源点，在坯壳向下移动过程中所受摩擦阻力较大时，则易形成角部裂纹［22］。

同时，若保护渣配碳方式不当，易使熔渣结渣圈，若结渣圈严重，铸坯振痕波谷则较深，易形成裂纹。而保护渣熔融不充分，会使流入铸坯和结晶器之间的间隙不均匀，进而导致摩擦力的变化，各处受力不同，也易产生裂纹。

2.6 连铸机的设备状态对角部横裂纹的影响

连铸机的设备状态（如结晶器振动、扇形段、辊缝开口度、辊间距、对弧状态等）对角部横裂纹的产生影响显著。结晶器振动异常、精度差均可导致角部横裂纹的产生。振动机构的机械磨损、振动机构下有冷钢堆积等都会使结晶器振动精度变差，使铸坯受到额外的机械应力，进而在坯壳的薄弱处产生裂纹，严重时还会导致漏钢。

扇形段对弧精度和辊缝精度（开口度）对铸坯质量影响显著。在浇注过程中，铸坯由直导段进入弯曲变弧，如果对弧精度差，随着铸坯拉坯力、坯壳厚度等因素的变化，铸坯与直导段之间应力过大时，可能使铸坯在弯曲过程产生角部横裂和内裂等质量缺陷，严重时会导致漏钢。而开口度过大或过小都会使得铸坯变形量大，在铸坯通过扇形段时承受额外的机械应力，从而引起铸坯表面质量缺陷。同时，若开口度发生变化，或辊间距太大，使坯壳交替地鼓肚和再压缩引起弯曲变形，都会促进横向裂纹的形成［23］。因此，要保证铸机设备状态的良好，以防止铸坯角部横裂纹的产生和扩展。

3 角部横裂纹的控制措施

3.1 调整钢水成分

钢种成分对铸坯质量有重要的影响，对于包晶钢，随着碳含量的增加，δ-铁含量减少，体积收缩量减少，且发生包晶反应后有富余的液相可弥补凝固前沿的收缩，使得铸坯裂纹发生倾向减弱［24］。因此，为了减少包晶反应造成的体积收缩，在保证钢材性能基础上，碳含量可尽量控制在内控的上限。

同时，在允许的范围内，尽量减少钢水中Al和N含量，避免第Ⅲ脆性区的扩大趋势。对含有Nb、V、A1等微合金元素易产生角部横裂纹的钢种，可向钢中添加少量Ti、Ca等元素，少量的Ti可以改善奥氏体低温区的塑性，Ti在高温下优先与氮结合成TiN，降低钢中游离N含量，TiN颗粒较大且存在于晶体内部，对钢的热塑性基本不会造成不利影响［25］。同时，应加强精炼过程控制和连铸无氧化、氩封保护浇注等措施来减少钢水中夹杂物的数量，有效控制钢中的氮含量 （一般小于0.006 0%），从而提高钢水的流动性，减少或避免NbN、A1N等氮化物在奥氏体晶界上的析出，特别是在角部的偏聚析出，最大程度地减少对钢热延性的不利影响，进而防止角部横裂纹的产生。

3.2 优化结晶器控制

（1）优化结晶器冷却参数。根据不同钢种、不同环境温度，对结晶器冷却水量和水温进行优化，改善结晶器的传热条件，促进坯壳均匀稳定的生长，进而防止板坯角部产生横裂纹缺陷。

（2）选择合适的锥度。根据钢种、断面和拉速对结晶器锥度进行优化调整，并保持锥度稳定，改善坯壳在结晶器内受力和传热状态，减轻结晶器铜板的磨损，避免铸坯鼓肚变形或拉漏事故的发生，抑制角部裂纹形成。

（3）优化振动参数。在保证生产顺行的前提下，适当提高振动频率，减小振幅，以降低振痕深度，改善结晶器保护渣的润滑条件，减少结晶器与坯壳间的摩擦阻力，从而减少坯壳的拉裂和拉漏。

（4）保持结晶器钢液面稳定。针对结晶器特点优化浸入式水口设计，规范浸入式水口插入结晶器液面深度，与拉速和中间包钢水温度合理匹配，保证保护渣的熔化速度和液渣层厚度的均匀性，并选择合适的吹氩量，减小结晶器液位波动，避免坯壳裹渣引起角部振痕加深，诱发角部横裂纹。

（5）采用倒角结晶器。直角结晶器所生产板坯的角部横裂纹多呈现不稳定、易反复的特点，依靠传统工艺手段难以有效解决。为了有效、稳定地减少连铸坯角部横裂纹，世界上很多大型钢铁公司都展开了板坯倒角结晶器的开发和应用工作，改变板坯角部的二维传热，提高矫直区连铸坯角部温度，使之避开钢的高温脆性区，进而减少连铸坯角部横裂纹。秦皇岛首秦金属材料有限公司成功研制了倒角结晶器并应用于工业生产中，生产数据表明，采用倒角结晶器后，矫直区板角部温度从810～855℃提高到901～932℃，有效避开了钢的高温脆性区，角部横裂纹的发生率从10.6%降低到1.6%以下，显著减少了板坯角部横裂纹［26］。

3.3 优化二冷制度

优化二次冷却强度对铸坯角部横裂的控制有重要作用，生产时应根据所测量铸坯不同部位的温度和射钉试验结果，对连铸凝固传热数学模型进行修正，进而对二冷制度进行优化。

同时，根据冶炼钢种的高温延塑性，对二冷喷嘴特性和布置、二冷水量分配及边部水量参数等进行优化，保证喷嘴的雾化效果，调整外侧两个喷嘴喷射角度，保证铸坯表面温度均匀且防止铸坯角部过冷，使铸坯矫直时角部温度高于脆性区温度。防止因二冷强度过大或铸坯横向冷却不均匀、角部过冷且反复冷却回温，导致Nb（C，N）和AlN等在奥氏体晶界上析出，加剧残余元素的偏聚和选择性氧化，使铸坯的塑性降低、产生晶界裂纹，并促进角部横裂纹的产生。

若生产板坯的断面宽度范围跨度大，则需尽量避免扇形段喷嘴为一路控制，在生产任何宽度的断面时，横向喷嘴均全部打开，导致在生产宽度较小板坯时，边部的喷嘴因无独立调节功能导致水量无法控制，造成铸坯边部冷却过强而导致铸坯边部温度偏低，增加角部横裂纹发生几率。

3.4 优化保护渣性能

性能优良的保护渣在结晶器内具有良好的铺展性和流动性，能够改善坯壳和结晶器壁之间的润滑与传热，使坯壳生长均匀，减小应力。在稳定浇铸过程中，结晶器内液面较为稳定，渣面活跃，从而减轻铸坯角部横裂纹缺陷。因此，需对保护渣配方进行优化调整，使保护渣物理性能稳定，具有合适粘度和碱度、结晶温度、熔化均匀且熔化速度稳定等性能，以减少角部横裂纹的发生。同时，也可针对生产中易产生角部横裂纹的钢种如包晶钢、含B钢及含N等微合金化钢种进行专用保护渣的开发、试验，进而有效地控制铸坯角部横裂纹缺陷。

攀钢在其它连铸工艺基本相同的条件下，对比研究了保护渣性能对铸坯角部横裂纹缺陷的影响，保护渣理化性能指标见表 1［27］。研究发现，优化保护渣性能，适当降低粘度，提高结晶温度，有利于改善保护渣的润滑性能，减缓板坯坯壳向结晶器壁的传热，使坯壳能够均匀稳定生长，板坯角部横裂纹的发生率由原来的20.97%降低到7.50%。

表1 保护渣的理化性能指标

3.5 加强管理、规范操作

（1）加强对结晶器及其振动机构的检查，保证锥度稳定，改善结晶器振动效果，定期对结晶器内腔尺寸进行测量，不合要求下线更换。同时对结晶器振动装置进行检测，发现有偏差时应及时进行调整，防止振动偏差大造成铸坯角部裂纹。

（2）加强连铸喷淋功能的检验和保障，在日修和定修时检查二冷区喷嘴状态，查看喷嘴是否齐全、有无堵塞，水管管路有无泄漏等，确保铸坯冷却均匀，表面温度均匀，减少铸坯宽度方向温度差。同时，提高二冷水纯净度，降低二冷水硬度，减少二冷喷嘴堵塞几率。

（3）定期检测和优化辊缝开口度、辊间距、铸机对弧状态，保证铸机流道质量良好且稳定。提高扇形段的在线精度，制定合理的扇形段穿辊缝制度，根据生产和检修计划定期穿一次辊缝，并根据检测结果及时更换存在故障的扇形段，或在线进行调整。铸机的精度高，铸坯在生产过程中所受额外机械应力较小，降低角部横裂纹的发生率。

（4）强化组织生产，提高钢水成分和中包温度命中率及对冶炼时间的控制，选择合理拉速并保持稳定，减小结晶器液面波动，使保护渣均匀且稳定地流入坯壳和结晶器壁的间隙，保证坯壳向结晶器壁传热均匀，使初生坯壳能够均匀稳定的生长，增强坯壳的抵抗变形能力，进而抑制裂纹的产生和扩展，保证连铸生产的连续性和稳定性。

鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司在生产含硼钢种时，板坯出现较严重的角裂问题，造成热轧钢卷产生翘皮缺陷，严重影响使用。通过对保护渣性能进行优化，提高碱度，降低粘度，降低矫直段之前的二冷水流量，同时优化矫直段喷嘴，并在生产时优化辊缝等措施，有效消除了板坯角部横裂纹缺陷，从而显著提高了热轧钢卷的质量。

4 结语

连铸坯角部横裂纹始终是各大钢铁企业连铸生产所需要面对的问题之一，因为角部横裂产生的原因复杂，防止角部横裂纹的措施也因企业的实际情况而有所不同，需根据连铸生产中铸坯角裂缺陷的不同成因，采取针对性解决方案。随着科学技术的进步，用户对钢材的性能要求越来越高，为了彻底解决连铸坯的角部横裂纹，还需要冶金工作者继续开发新的生产工艺以解决铸坯角部横裂纹，如日本开发的二冷快冷技术等。

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