許孟春，李德軍，張寧

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

近年來，隨著我國交通運輸、石油化工、重型機械、海洋工程、核電、軍工等行業的技術進步和快速發展，對鋼鐵產品的質量、性能、規格等提出了更高的要求，對連鑄坯的質量要求也更加嚴格。角部橫裂紋是連鑄坯較嚴重的表面缺陷之一，常出現在包晶鋼和含Al、Nb、V、Ti和B等微合金元素對裂紋敏感性強的鋼種，在鑄坯上多呈 “跨角裂”形式，加熱和軋制后，角部缺陷可傳遞到熱軋板卷上，使其邊部產生翹皮缺陷，嚴重時鋼卷邊部開裂，引起嚴重的質量事故［1］。

角部橫裂紋發生于連鑄坯角部的晶間，屬于晶間裂紋，常常被氧化鐵所覆蓋，因此難以檢查和清理，增加鑄坯降級量和報廢量。目前，對角部橫裂紋多采用火焰清理的方式進行挽救，但當裂紋較深時，火焰清理也無法修復，鑄坯角部裂紋缺陷仍將傳遞至熱軋板卷上。對鑄坯進行火焰處理不僅造成大量的能源、材料、人力資源的浪費，而且因為鑄坯需下線進行冷態清理，會導致鑄坯不能進行熱裝或熱送，鑄坯的加熱能耗大幅增加，同時也將打亂煉鋼—連鑄—軋鋼流程的高效化生產節奏［2-3］。因此，如何防止連鑄角部橫裂缺陷的產生一直是煉鋼連鑄生產中重要的研究內容。

1 角部橫裂紋的形成機理

在連鑄過程中，由于鋼種特性、連鑄工藝、設備及操作條件等原因，在板坯角部垂直于澆注方向常出現橫裂紋缺陷，并向板坯兩面延伸，在鑄坯的內外弧面角部均可產生，但多產生在鑄坯的內弧面角部［4-5］。圖1為典型的板坯角裂宏觀形貌。

連鑄是一個復雜的生產過程，帶液芯的坯殼從結晶器進入二冷區邊運行邊凝固。在此過程中，坯殼同時承受鋼水靜壓力、彎曲矯直力、熱應力、摩擦力、相變力和意外的機械力等共同作用，若坯殼生長不均勻，當上述應力超過凝固前沿鋼的高溫強度極限和允許應變時，在坯殼薄弱處就可能產生微細裂紋。板坯角部為二維冷卻，角部溫度一般下降較快，當冷卻不均勻或者局部冷卻強度過大，板坯彎曲和矯直時，角部溫度處于高溫低塑性區，在微裂紋處產生應力集中，如果處于脆化溫度區，將加速橫裂紋的形成和擴展，最終在鑄坯的角部形成角部橫裂紋。

Mintz 和 Meahara［6-7］等研究認為，振痕的存在增加了角部橫裂紋的發生率。由于振痕波谷處常填充有保護渣，傳熱不良，坯殼較薄，凝固組織粗大，且強度低。同時，振痕波谷處又常有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奧氏體晶界處析出，弱化晶界，降低晶界的結合力，導致塑性降低，進而促進晶界裂紋擴展，對裂紋敏感性增加。Harada［8］等人研究認為，振痕底部S、P元素偏析滲透到奧氏體晶界也能促進裂紋的擴展。鄂鋼對角部橫裂發生幾率與振痕深度的關系進行過跟蹤，結果見圖2所示［9］。由圖2可以看出，振痕愈深，角部橫裂紋指數愈大。

2 影響角部橫裂紋產生的因素

2.1 鋼水成分對角部橫裂紋的影響

（1）C 的影響

當鋼水中的C含量處于包晶區域時，鋼水在凝固過程中由于發生包晶反應，使初生坯殼在彎月面處發生δ―γ相變，伴隨著最大的體積收縮和線收縮，導致結晶器初生坯殼脫開銅壁形成較大氣隙，使靠近彎月面和角部區域處的凝固坯殼收縮很不規則，坯殼生長不均勻。同時，在坯殼薄弱處及角部粗糙、折皺處，特別是振痕波谷處，由于冷卻相對較慢，組織粗化，鑄坯的強度低、塑性差，在熱應力和機械應力的作用下，振痕波谷處應力集中使產生裂紋的傾向增加［10-11］。

（2）微合金元素的影響

若鋼中含有Al、Nb、V等微合金化元素，這些合金化元素在鋼中形成的碳氮化物可用于調節形變奧氏體的再結晶行為和阻止晶粒長大，間接起到細化晶粒的作用，并對鋼產生沉淀強化，從而提高鋼材的強度、韌性、可焊性和抗蝕性［12］。

但Nb、Al、V等對鑄坯低溫熱塑性區的脆性影響很大，能夠擴大低溫熱塑性區的脆性范圍。在連鑄過程中，若控制不好，Nb、Al、V等形成的大量微細氮化物和碳氮化物在γ晶界析出，抑制動態再結晶進行。同時，在應力作用下發生塑性變形時，沿γ晶界的微細析出物作為應力集中源點，與晶界脫開形成微孔，同時在晶界滑移作用下，使微孔逐漸連接形成裂紋［13］。

而B在鋼中主要通過粗化晶粒使鋼的強度降低，同時在凝固過程中B的偏析趨勢較大，且振痕越深偏析越嚴重。由于凝固時振痕處的冷卻相對鑄坯表面較弱，在鑄坯振痕處會出現相對的返溫現象，而B的偏析會進一步催化晶粒的生長，使振痕處晶粒粗大，強度降低，當所受應力超過鑄坯的強度時，便形成振痕裂紋。

（3）雜質元素 S、P的影響

S在鋼中的溶解度極小，與鐵生成FeS，而生成的FeS和FeO能夠形成低熔點的熱脆性共晶體并在晶界析出，促使晶界處產生裂紋，因此煉鋼生產需要降低硫的含量。研究表明，硫在晶界的偏析或細小硫化物在晶界的析出對鋼的熱塑性和橫裂紋敏感性有重要的影響，減少鋼中硫含量，可以降低鋼的熱裂紋敏感性，進而降低鑄坯角部裂紋的發生機率［14-15］。

P是鋼中的有害元素。有學者認為，沿振痕波谷處P元素的偏析會增大振痕波谷處奧氏體晶界脆性，降低鋼的高溫強度，進而促進裂紋的產生［16］。

（4）殘余元素的影響

鋼中Cu、Sn、As和Sb等殘余元素在γ晶界偏聚和富集會增大橫裂紋的發生傾向。而板坯角部存在反復的冷卻與回溫現象，這使殘余元素的偏聚和選擇性氧化的傾向增加，進而形成低熔點富集相，降低γ晶界的能量，并推遲γ向α的轉變，使薄膜狀α在很寬的溫度范圍內存在于γ晶界處，使晶界強度降低。由于鐵素體相的強度只是奧氏體相的l/4，則在沿奧氏體分布的鐵素體相中產生較大的形變，若所受應力大于晶界處分布的鐵素體相所能承受的應力時，則在鐵素體相中形成空洞，在應力作用下，形成的空洞會逐漸連接形成角部橫裂紋［17］。

2.2 結晶器控制對角部橫裂紋的影響

（1）結晶器錐度

對板坯而言，結晶器錐度對角部橫裂紋的控制有重要作用。板坯在凝固過程中，若結晶器窄面錐度過小，由于凝固收縮使得結晶器下部的坯殼與結晶器壁產生空隙，進而使坯殼生長的速度降低，容易造成窄面坯殼厚度變薄，使窄面產生鼓肚，嚴重時甚至造成漏鋼。若結晶器窄面錐度過大，則凝固坯殼受到結晶器窄面銅板的壓力增大，使結晶器與鑄坯之間存在的摩擦力增大，由于一定厚度的坯殼在出結晶器時，除了會受到驅動力的作用外，也受到拉應力的作用，進而導致板坯角部裂紋的產生，并使形成的裂紋進一步擴展［18］。因此，在開澆前應根據鋼種、斷面要求設定適當錐度，避免鑄坯角部冷卻強度不當與受力不均，產生角部裂紋缺陷。

（2）結晶器冷卻水

在連鑄過程中，結晶器內的傳熱與冷卻對改善鑄坯質量有重要影響。結晶器導熱均勻與否將會影響鑄坯初生坯殼的厚度是否均勻，同時也會影響鑄坯的表面質量。如果結晶器的冷卻水量過小，結晶器內形成的坯殼厚度則較薄，坯殼強度較低，在拉坯過程中，若鑄坯所受摩擦力超過鋼的高溫強度極限時，在坯殼的薄弱處就會形成微細橫裂紋，并在連鑄過程中進一步擴展和延伸。尤其是包晶鋼，由于坯殼凝固時產生的線性收縮較大，結晶器內冷卻強度越大，坯殼的不均勻程度就越嚴重［19］。同時，如果結晶器四角冷卻水縫不均勻，會導致鑄坯角部坯殼的厚度與強度不均，從而在角部坯殼的薄弱部位產生角部橫裂紋。

（3）結晶器液面

當結晶器液面波動較大時，結晶器內保護渣流動的均勻性變差，致使保護渣的液渣不能均勻且穩定地流入到坯殼與結晶器壁的間隙內，并易使保護渣卷入到坯殼，影響鑄坯質量。同時，結晶器液面波動大也會使鑄坯表面形成不規則振痕，出現深振痕等缺陷。在深振痕的波谷處，由于鑄坯坯殼的傳熱效果較差，易形成表面橫裂紋。同時，若因為液面波動較大而調整拉速時，二冷區冷卻水量和在各扇形段的分配也隨之改變，但由于鑄坯表面溫度變化同拉速和水量的變化有一定的滯后性，致使鑄坯表面溫度波動較大，鑄坯所受的熱應力增加，進而促進了裂紋的形成，或使已形成的裂紋進一步擴展。

（4）結晶器振動

結晶器振動的主要作用是產生負滑脫，使鑄坯脫模，但振動也使鑄坯表面產生振痕，振痕深處樹枝晶粗大，夾渣、成分偏析嚴重，彎曲矯直時產生切口效應，成為裂紋的發源地，且負滑脫時間越長，振痕越深，則越容易在鑄坯的表面和角部產生橫裂紋［20］。雖然減小負滑脫時間能夠顯著減小振痕的深度，但如果負滑脫時間過小，則會造成坯殼與結晶器壁發生粘結。

2.3 鋼水過熱度和拉速的影響

鋼水過熱度和連鑄拉速對板坯角部橫裂紋的產生有重要的影響。適當提高鋼水過熱度可以改善鋼水的流動性，在一定程度又影響結晶器液面的穩定和鑄坯的矯直溫度。過熱度過大，形成的坯殼較薄，承受鋼水壓力的能力較差，在坯殼薄弱處易產生裂紋，同時鑄坯偏析及疏松嚴重。但過熱度過小則會使鋼水流動性變差，中間包水口易粘鋼堵塞，造成結晶器液面波動，同樣易產生裂紋，影響鑄坯表面質量。所以應根據鋼種特點及對裂紋的敏感性選擇合適的中間包過熱度。

拉速的大小影響坯殼的傳熱量。拉速較大時，坯殼在結晶器內停留時間短，傳熱少，坯殼較薄，在振痕波谷處易產生熱應力。當拉速較小時，坯殼在結晶器內的停留時間較長，坯殼較厚、振痕較深，在振痕深處溶質元素富集，樹枝晶粗大，在應力作用下成為裂紋源，而且當二冷區冷卻越強、坯溫則越低，微裂紋發生機率越高。

2.4 二次冷卻對角部橫裂紋的影響

二次冷卻強度是保證鑄坯質量的關鍵，采用合適的冷卻強度能夠改善鑄坯的角部質量。若二冷整體冷卻強度過大，因角部區域是二維冷卻，同時中心部位的冷卻水沿表面向邊部流動，將加速鑄坯角部過冷，使得角部區域的溫度在矯直時處于第Ⅲ脆性溫度區(一般在700～900℃)，并由于應力集中大于鋼的極限應力，造成鑄坯角部裂紋。同時，若鑄坯角部溫度過低，易導致Nb和Al等微合金元素形成的碳氮化物和氮化物在奧氏體晶界上析出，使鑄坯的高溫塑性降低，進而在晶界處形成裂紋，使角部橫裂紋發生傾向增加。而二冷水配置不當會造成回溫，特別是當角部區域溫度存在反復的冷卻和回溫現象時，會使殘余元素的偏聚和選擇性氧化傾向增加，促進角部裂紋的形成［21］。因此，需選擇合適的二冷制度，使鑄坯進入矯直段表面溫度均勻且普遍高于900℃，盡量使角部溫度避開脆性溫度區，使鑄坯角裂得到改善。

2.5 保護渣性能對角部橫裂紋的影響

保護渣性能對鑄坯橫裂也有重要的影響，粘度是反映保護渣形成液渣后流動性能好壞的重要參數，粘度太小，流入的熔渣多，形成的渣膜厚，由于流動性過強，易造成坯殼與銅板之間的渣膜不均勻；粘度過高則影響保護渣的鋪展性和熔化性，致使角部振痕加深，產生角部橫裂紋［5］。

保護渣的熔化速度對在鋼液面形成的液渣層厚度及保護渣消耗量有重要的影響。液渣層過薄會造成結晶器潤滑不良，但液渣層過厚則會使保護渣的消耗量增加，同時使振痕深度加大。熔速偏高或熔化均勻性差，導致保護渣傳熱過強或流入不均，凝固坯殼極易出現較大橫向熱梯度，導致坯殼凝固厚薄不均，在振痕底部坯殼薄弱部位，易產生應力集中，成為角裂的起源點，在坯殼向下移動過程中所受摩擦阻力較大時，則易形成角部裂紋［22］。

同時，若保護渣配碳方式不當，易使熔渣結渣圈，若結渣圈嚴重，鑄坯振痕波谷則較深，易形成裂紋。而保護渣熔融不充分，會使流入鑄坯和結晶器之間的間隙不均勻，進而導致摩擦力的變化，各處受力不同，也易產生裂紋。

2.6 連鑄機的設備狀態對角部橫裂紋的影響

連鑄機的設備狀態（如結晶器振動、扇形段、輥縫開口度、輥間距、對弧狀態等）對角部橫裂紋的產生影響顯著。結晶器振動異常、精度差均可導致角部橫裂紋的產生。振動機構的機械磨損、振動機構下有冷鋼堆積等都會使結晶器振動精度變差，使鑄坯受到額外的機械應力，進而在坯殼的薄弱處產生裂紋，嚴重時還會導致漏鋼。

扇形段對弧精度和輥縫精度（開口度）對鑄坯質量影響顯著。在澆注過程中，鑄坯由直導段進入彎曲變弧，如果對弧精度差，隨著鑄坯拉坯力、坯殼厚度等因素的變化，鑄坯與直導段之間應力過大時，可能使鑄坯在彎曲過程產生角部橫裂和內裂等質量缺陷，嚴重時會導致漏鋼。而開口度過大或過小都會使得鑄坯變形量大，在鑄坯通過扇形段時承受額外的機械應力，從而引起鑄坯表面質量缺陷。同時，若開口度發生變化，或輥間距太大，使坯殼交替地鼓肚和再壓縮引起彎曲變形，都會促進橫向裂紋的形成［23］。因此，要保證鑄機設備狀態的良好，以防止鑄坯角部橫裂紋的產生和擴展。

3 角部橫裂紋的控制措施

3.1 調整鋼水成分

鋼種成分對鑄坯質量有重要的影響，對于包晶鋼，隨著碳含量的增加，δ-鐵含量減少，體積收縮量減少，且發生包晶反應后有富余的液相可彌補凝固前沿的收縮，使得鑄坯裂紋發生傾向減弱［24］。因此，為了減少包晶反應造成的體積收縮，在保證鋼材性能基礎上，碳含量可盡量控制在內控的上限。

同時，在允許的范圍內，盡量減少鋼水中Al和N含量，避免第Ⅲ脆性區的擴大趨勢。對含有Nb、V、A1等微合金元素易產生角部橫裂紋的鋼種，可向鋼中添加少量Ti、Ca等元素，少量的Ti可以改善奧氏體低溫區的塑性，Ti在高溫下優先與氮結合成TiN，降低鋼中游離N含量，TiN顆粒較大且存在于晶體內部，對鋼的熱塑性基本不會造成不利影響［25］。同時，應加強精煉過程控制和連鑄無氧化、氬封保護澆注等措施來減少鋼水中夾雜物的數量，有效控制鋼中的氮含量 （一般小于0.006 0%），從而提高鋼水的流動性，減少或避免NbN、A1N等氮化物在奧氏體晶界上的析出，特別是在角部的偏聚析出，最大程度地減少對鋼熱延性的不利影響，進而防止角部橫裂紋的產生。

3.2 優化結晶器控制

（1）優化結晶器冷卻參數。根據不同鋼種、不同環境溫度，對結晶器冷卻水量和水溫進行優化，改善結晶器的傳熱條件，促進坯殼均勻穩定的生長，進而防止板坯角部產生橫裂紋缺陷。

（2）選擇合適的錐度。根據鋼種、斷面和拉速對結晶器錐度進行優化調整，并保持錐度穩定，改善坯殼在結晶器內受力和傳熱狀態，減輕結晶器銅板的磨損，避免鑄坯鼓肚變形或拉漏事故的發生，抑制角部裂紋形成。

（3）優化振動參數。在保證生產順行的前提下，適當提高振動頻率，減小振幅，以降低振痕深度，改善結晶器保護渣的潤滑條件，減少結晶器與坯殼間的摩擦阻力，從而減少坯殼的拉裂和拉漏。

（4）保持結晶器鋼液面穩定。針對結晶器特點優化浸入式水口設計，規范浸入式水口插入結晶器液面深度，與拉速和中間包鋼水溫度合理匹配，保證保護渣的熔化速度和液渣層厚度的均勻性，并選擇合適的吹氬量，減小結晶器液位波動，避免坯殼裹渣引起角部振痕加深，誘發角部橫裂紋。

（5）采用倒角結晶器。直角結晶器所生產板坯的角部橫裂紋多呈現不穩定、易反復的特點，依靠傳統工藝手段難以有效解決。為了有效、穩定地減少連鑄坯角部橫裂紋，世界上很多大型鋼鐵公司都展開了板坯倒角結晶器的開發和應用工作，改變板坯角部的二維傳熱，提高矯直區連鑄坯角部溫度，使之避開鋼的高溫脆性區，進而減少連鑄坯角部橫裂紋。秦皇島首秦金屬材料有限公司成功研制了倒角結晶器并應用于工業生產中，生產數據表明，采用倒角結晶器后，矯直區板角部溫度從810～855℃提高到901～932℃，有效避開了鋼的高溫脆性區，角部橫裂紋的發生率從10.6%降低到1.6%以下，顯著減少了板坯角部橫裂紋［26］。

3.3 優化二冷制度

優化二次冷卻強度對鑄坯角部橫裂的控制有重要作用，生產時應根據所測量鑄坯不同部位的溫度和射釘試驗結果，對連鑄凝固傳熱數學模型進行修正，進而對二冷制度進行優化。

同時，根據冶煉鋼種的高溫延塑性，對二冷噴嘴特性和布置、二冷水量分配及邊部水量參數等進行優化，保證噴嘴的霧化效果，調整外側兩個噴嘴噴射角度，保證鑄坯表面溫度均勻且防止鑄坯角部過冷，使鑄坯矯直時角部溫度高于脆性區溫度。防止因二冷強度過大或鑄坯橫向冷卻不均勻、角部過冷且反復冷卻回溫，導致Nb（C，N）和AlN等在奧氏體晶界上析出，加劇殘余元素的偏聚和選擇性氧化，使鑄坯的塑性降低、產生晶界裂紋，并促進角部橫裂紋的產生。

若生產板坯的斷面寬度范圍跨度大，則需盡量避免扇形段噴嘴為一路控制，在生產任何寬度的斷面時，橫向噴嘴均全部打開，導致在生產寬度較小板坯時，邊部的噴嘴因無獨立調節功能導致水量無法控制，造成鑄坯邊部冷卻過強而導致鑄坯邊部溫度偏低，增加角部橫裂紋發生幾率。

3.4 優化保護渣性能

性能優良的保護渣在結晶器內具有良好的鋪展性和流動性，能夠改善坯殼和結晶器壁之間的潤滑與傳熱，使坯殼生長均勻，減小應力。在穩定澆鑄過程中，結晶器內液面較為穩定，渣面活躍，從而減輕鑄坯角部橫裂紋缺陷。因此，需對保護渣配方進行優化調整，使保護渣物理性能穩定，具有合適粘度和堿度、結晶溫度、熔化均勻且熔化速度穩定等性能，以減少角部橫裂紋的發生。同時，也可針對生產中易產生角部橫裂紋的鋼種如包晶鋼、含B鋼及含N等微合金化鋼種進行專用保護渣的開發、試驗，進而有效地控制鑄坯角部橫裂紋缺陷。

攀鋼在其它連鑄工藝基本相同的條件下，對比研究了保護渣性能對鑄坯角部橫裂紋缺陷的影響，保護渣理化性能指標見表 1［27］。研究發現，優化保護渣性能，適當降低粘度，提高結晶溫度，有利于改善保護渣的潤滑性能，減緩板坯坯殼向結晶器壁的傳熱，使坯殼能夠均勻穩定生長，板坯角部橫裂紋的發生率由原來的20.97%降低到7.50%。

表1 保護渣的理化性能指標

3.5 加強管理、規范操作

（1）加強對結晶器及其振動機構的檢查，保證錐度穩定，改善結晶器振動效果，定期對結晶器內腔尺寸進行測量，不合要求下線更換。同時對結晶器振動裝置進行檢測，發現有偏差時應及時進行調整，防止振動偏差大造成鑄坯角部裂紋。

（2）加強連鑄噴淋功能的檢驗和保障，在日修和定修時檢查二冷區噴嘴狀態，查看噴嘴是否齊全、有無堵塞，水管管路有無泄漏等，確保鑄坯冷卻均勻，表面溫度均勻，減少鑄坯寬度方向溫度差。同時，提高二冷水純凈度，降低二冷水硬度，減少二冷噴嘴堵塞幾率。

（3）定期檢測和優化輥縫開口度、輥間距、鑄機對弧狀態，保證鑄機流道質量良好且穩定。提高扇形段的在線精度，制定合理的扇形段穿輥縫制度，根據生產和檢修計劃定期穿一次輥縫，并根據檢測結果及時更換存在故障的扇形段，或在線進行調整。鑄機的精度高，鑄坯在生產過程中所受額外機械應力較小，降低角部橫裂紋的發生率。

（4）強化組織生產，提高鋼水成分和中包溫度命中率及對冶煉時間的控制，選擇合理拉速并保持穩定，減小結晶器液面波動，使保護渣均勻且穩定地流入坯殼和結晶器壁的間隙，保證坯殼向結晶器壁傳熱均勻，使初生坯殼能夠均勻穩定的生長，增強坯殼的抵抗變形能力，進而抑制裂紋的產生和擴展，保證連鑄生產的連續性和穩定性。

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司在生產含硼鋼種時，板坯出現較嚴重的角裂問題，造成熱軋鋼卷產生翹皮缺陷，嚴重影響使用。通過對保護渣性能進行優化，提高堿度，降低粘度，降低矯直段之前的二冷水流量，同時優化矯直段噴嘴，并在生產時優化輥縫等措施，有效消除了板坯角部橫裂紋缺陷，從而顯著提高了熱軋鋼卷的質量。

4 結語

連鑄坯角部橫裂紋始終是各大鋼鐵企業連鑄生產所需要面對的問題之一，因為角部橫裂產生的原因復雜，防止角部橫裂紋的措施也因企業的實際情況而有所不同，需根據連鑄生產中鑄坯角裂缺陷的不同成因，采取針對性解決方案。隨著科學技術的進步，用戶對鋼材的性能要求越來越高，為了徹底解決連鑄坯的角部橫裂紋，還需要冶金工作者繼續開發新的生產工藝以解決鑄坯角部橫裂紋，如日本開發的二冷快冷技術等。

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