連鑄坯在凝固過程中形成裂紋的原因

隨著市場競爭的日趨激烈，產品的質量已經成為占有市場的主要砝碼，連鑄坯作為煉鋼廠的終端產品，其質量直接影響著軋材單位的產量和軋材質量，據統計煉鋼廠連鑄坯質量缺陷中約70%為連鑄坯裂紋，連鑄坯裂紋成為影響連鑄坯產量和質量的重要缺陷之一，下面將對鑄坯在凝固過程中裂紋的形成做簡要分析：

一、鑄坯凝固過程的形成

鑄坯在連鑄機內的凝固可看成是一個液相穴很長的鋼錠，而凝固是沿液相穴的固液界面在液固相溫度區間把液體轉變為固體把潛熱釋放出來的過程。在固液界面間剛凝固的晶體強度和塑性都非常小，當作用于凝固殼的熱應力、鼓肚力、矯直力、摩擦力、機械力等外力超過所允許的外力值時，在固液界面就產生裂紋，這就形成了鑄坯內部裂紋。而已凝固的坯殼在二冷區接受強制冷卻，由于鑄坯線收縮，溫度的不均勻性，坯殼鼓肚、導向段對弧形不準，固相變引起質點如（ＡｌＮ）在晶界的沉淀等，容易使外殼受到外力和熱負荷間歇式的突變，從而產生裂紋就是表面裂紋。

二、連鑄坯裂紋形態和影響因素

連鑄坯裂紋形態分為表面裂紋和內部裂紋，表面裂紋有縱向、橫向角部裂紋、表面橫裂和縱裂、網狀裂紋和凹陷等，內部裂紋有中間、中心和矯直裂紋等。

連鑄坯裂紋的影響因素：

連鑄坯表面裂紋主要決定于鋼水在結晶器的凝固過程，它是受結晶器傳熱、振動、潤滑、鋼水流動和液面穩定性所制約的，鑄坯內部裂紋主要決定于二冷區凝固冷卻過程和鑄坯支撐系統（導向段）的對弧準確性。鑄坯凝固過程坯殼形成裂紋，從工藝設備和鋼凝固特性來考慮影響裂紋形成的因素可分為：

1、連鑄機設備狀態方面有：

1）結晶器冷卻不均勻

2）結晶器角部形狀不當。

3）結晶器錐度不合適。

4）結晶器振動不良。

5）二冷水分布不均勻（如噴淋管變形、噴嘴堵塞等）。

6）支承輥對弧不準和變形。

2、工藝參數控制方面有：

1）化學成份控制不良（如C、Mn\S）。

2）鋼水過熱度高。

3）結晶器液面波動太大。

4）保護渣性能不良。

5）水口擴徑。

6）二次冷卻水分配不良，鑄坯表面溫度回升過大。

7）鑄坯帶液芯矯直。

8）鑄坯在脆性區（700~900℃）矯直。

3、鋼的凝固特性方面有：

1）凝固冷卻過程的相變。

2）鑄坯凝固結構（柱狀晶與等軸晶的比例）。

3）凝固殼高溫力學行為。

4）凝固過程的偏析。

三、連鑄坯裂紋形成原因分析

表面裂紋起源于結晶器鋼水的凝固過程中，在二冷區加速了裂紋的擴展，而內部裂紋起源液相穴固液交界面并伴隨有偏析線。

1、縱裂紋

鑄坯裂紋起源于結晶器初生坯殼厚度的不均勻性，是一種嚴重的表面缺陷。

2）鋼中Ｃ含量對縱裂紋的影響。

Ｃ含量在（0.1~0.2%）時，鑄坯表面縱裂趨向嚴重，且鑄坯拉速越高，縱裂越嚴重。

在結晶器彎月面區，鋼水凝固面初生坯殼δFeC=0.1%時進入包晶反應區且伴隨較大的線收縮，隨著溫度下降發生δFe－γFe轉變發生線收縮，坯殼與結晶器銅壁脫離過早形成主隙，導致熱流較小，坯殼較薄，在表面形成凹陷，凹陷部位冷卻和凝固比其它部位慢，組織粗化，對裂紋敏感性強，坯殼出結晶器后受到噴水冷卻和鋼水靜壓作用，在凹陷的較薄弱處造成應力集中，加上鋼處于高溫脆性區而引起裂紋，在二冷區繼續擴展。

坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴重，縱裂出現的機率就越大。

2）鋼中S+P含量對縱裂的影響。

鋼中S+P含量高，鑄坯縱裂發生幾率增加，鋼中P＞0.017%、S＞0.025%鋼的高溫強度和塑性降低，容易發生縱裂，保持Mn/S＞20可減少縱裂。

3）保護渣性能對縱裂的影響。

在保護渣各項特性中，粘度對產生表面裂紋影響較大，渣粘度較高時，隨拉速增加縱裂加重，渣粘度較小時隨拉速增加縱裂減少，保護渣粘度越小，縱裂出現的幾率就少。

4）其它影響。

水口與結晶器不應＞2mm，水口與結晶器不對中鋼流對坯殼產生偏流沖刷，造成坯殼不均勻也增加縱裂紋產生的機率。

結晶器液面波動也對縱裂產生影響。結晶器液面波動＞10mm時縱裂發生機率為30%。

2、橫裂紋

橫裂紋是位于鑄坯內弧表面振痕的波谷處，通常隱藏著看不見，裂紋位于鐵素體網狀區，而網狀區正是初生奧氏結晶界，晶界處有AlN和Nb（CN）的沉淀。

一般是C－Mn鋼（Mn＞1%），C－Mn－Nb（Ｖ）鋼（Nb0.03%）容易發生橫裂紋，鋼中Al和N增加，橫裂紋敏感性增加，因為Al、N在Ａ體晶界析出，降低了內聚力，增加了γ→ａ轉變的脆性，使900～700℃延性大大降低。含Nb鋼在1050℃Nb（CN）已開開始晶界沉淀，使脆化溫度區加寬，橫向裂紋更嚴重。

鋼中P含量低于0.01%橫裂紋增加這是因為P優先在晶界富集，降低了沉淀相在晶界上的適度，但是鋼中P一般為不大于0.045%因Ｐ含量太高會使中心偏析加重弧形連鑄機矯直時，鑄坯內弧受到張力，外弧受到壓力，在矯直過程中，由于振痕的缺口效應產生應力集中，再加上矯直溫度＜900℃加速成了橫裂紋形成，因此二冷區采用軟冷卻，使鑄坯進矯直機的表面溫度大于950℃，可以有效減少橫裂紋。

橫裂紋是與振痕共生的，要減少橫裂紋就是要減少小振痕深度，振動頻率增加，振痕深度要減少，采用高振頻小振幅的結晶器振動機構，可以有效地減少振痕深度，從而減少橫裂的發生。

3、鑄坯內部裂紋

包括中間裂紋、中心裂紋、矯直裂紋等，裂紋產生的地點是在液面相穴凝固前沿的固液界面，然后再在固相擴展直到能抵抗裂紋為止。

鑄坯內部裂紋的形成與鑄坯鼓肚、表面回熱和鑄坯低倍組織等因素有關。

四、連鑄坯裂紋形成機理

1、力學觀點

1）臨界應力：以凝固過程中坯殼所承受的應力來判斷裂紋的形成，如應力超過了固相線溫度附近臨界強度則產生裂紋。

2）臨界應變：當固液界面固相的變量超過了臨界應變值時產和斷裂。

臨界應力和應變值決定于凝固結構，也就是δ相與γ相的比例，全時和韌性較高，δ＋γ相凝固和γ相凝固韌性和強度較低，對裂紋敏感性增加。

2、冶金學觀點

1）晶界脆化理論。在凝固前沿大約液相分率10%富集溶質的液體薄膜（如硫化物）包圍樹枝晶，降低了固相線溫度附近鋼的延性和強度，當受到外力作用時裂紋就沿晶界發生，致使凝固前沿產生裂紋。

2）柱狀晶區的切口效應。凝固前沿的柱狀晶生長的根部相當于一個“切口”，產生應力集中而導致裂紋。

3）硫化物脆性。硫化物日界分布形成所謂Ⅱ類硫化物，引起晶間脆性，成為裂紋優先擴展的地方，這是已凝固坯殼產生裂紋的原因。

4）質點沉淀理論：鑄坯在冷卻過程中AlN、Nb（CN）等質點在Ａ體晶界面沉淀，增加晶界脆性與裂紋的敏感性，這是鑄坯矯直產生裂紋的主要原因。