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[摘 要]众所周知，连铸结晶器振动的目的一是脱模，二是防止坯壳黏结。这样就不可避免地在铸坯表面留下横向振痕而产生一个特殊的质量问题，就是横裂纹。裂纹一般很细，深 2～8mm，表面很难发现，经酸洗、火焰清理后横裂纹清晰。表面横裂纹的存在是生产无缺陷铸坯的障碍。铸坯产生横裂纹的敏感性很大程度上取决于振痕深度、钢的成分以及工艺设备因素等。基于此本文对横裂纹的成因进行相关研究。
[关键词]横裂纹 连铸坯 振痕深度
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-005-01
一、横裂纹的形成机理
表面横向裂纹的早期形成阶段，出现在结晶器内的高温区，约在弯月面以下250～350mm 处，并且与振痕附近的偏析有关。结晶器振动的目的是防止初生坯壳与结晶器黏结而漏钢，但不可避免地會在初生坯壳表面上留下振动痕迹。而铸坯横裂纹产生于振动痕迹的波谷处，振痕越深，横裂纹越严重。在结晶器内，振痕波谷处产生表面横裂纹源的原因：
（1）1495℃左右，亚包晶钢收缩较强，坯壳与结晶器铜板之间形成气隙，振痕波谷处传热减慢，坯壳温度高（约 1300℃左右），奥氏体晶粒粗大降低了钢的高温塑性。尤其是亚包晶钢比低碳钢和高碳钢表现的更明显（见图 2-2b））。
（2）由于拉坯阻力过大或者由于结晶器锥度过大而致使铸坯拉裂，这也是形成横裂纹的原因之一。
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（二冷区、矫直区）：
（1）奥氏体到铁素体相变过程中，第二相质点（氮化物）在奥氏体晶界析出，增加了晶界脆性。
（2）铸坯在运行过程中受到弯曲（内弧受压，外弧受张力）和矫直（内弧受张力，外弧受压力）以及鼓肚作用，铸坯刚好处于低温脆性区（小于 900 ℃），又加上相当于应力集中“缺口效应”的振痕，受到拉伸应力作用的应变量如果超过 1.3%，在振痕波谷处就容易产生横裂纹。裂纹沿奥氏体晶界扩展到具有良好塑性温度为止。
从钢的高温力学性能出发，对铸坯裂纹的形成存在如下理论：
（1）晶界脆化理论：在钢液凝固前沿，当液相率约为 0.1 时，树枝晶受到溶质（如硫化物）高度富集的液体薄膜的包围，从而降低了固相线温度附近处钢的高温临界强度。若此时铸坯受到较强的外力作用，将导致钢液凝固前沿沿晶界形成裂纹。
（2）硫化物脆化理论：在 1300℃到固相线温度的高温区，硫化物沿晶界析出，降低了晶界强度，增加了晶界脆性，成为裂纹优先形成的地方。这就是结晶器内已凝固坯壳形成裂纹的一个重要原因。
（3）质点沉淀脆化理论：在 600～1000℃温度区间，AlN，Nb 等碳、氮化物随着铸坯冷却凝固，纷纷在奥氏体晶界析出，降低了晶界强度，增加了裂纹的敏感性。这是铸坯矫直过程中，凝固坯壳形成裂纹的重要原因之一。
二、横裂纹形成阶段的划分
综合考虑铸坯的高温力学性能以及铸坯在连铸机内运行中受到的各种外部机械应力，将铸坯凝固过程中表面横裂纹的形成划分为以下四个阶段：
（1）第一阶段，在靠近结晶器壁的铸坯表层，首先形成正常大小的奥氏体晶粒，尺寸约小于 500μm，而亚层为高度择优取向的凝固组织。
（2）第二阶段，此时铸坯表面温度在 1350℃左右，奥氏体晶粒逐渐增长，大于初生奥氏体晶粒尺寸的几倍。在应力作用下，超大奥氏体晶粒的晶界将逐渐被削弱并最终断裂生成非常细小的裂纹源。
（3）第三阶段，在超大奥氏体晶粒的晶界，固态硫化物的逐渐析出促进了裂纹的生成。硫化物渗透到超大奥氏体晶粒的晶界，使晶界强度弱化形成微裂纹源并沿晶界逐渐扩展。
（4）第四阶段，进入矫直阶段，先共析铁素体在奥氏体中形核析出致了晶界强度弱化，Al，Nb 的低温碳、氮化物的析出也促进了晶界塑性降低。若是铸坯矫直时的温度刚好处于第三脆性区（约为 900℃），在矫直应力作用下，原有的显微裂纹将沿着超大晶粒的晶界扩展。大部分微裂纹在矫直之前已存在，但也可能导致新生微裂纹。
三、表面横裂纹的影响因素及预防措施
1、表面横裂纹的影响因素
影响铸坯表面横裂纹的因素有很多，主要包括化学元素、温度、机械应力、振痕、液面变动、保护渣、结晶器倒锥度、变形速度等。
（1）化学元素：钢中碳、硫、磷、铝等元素对铸坯的强度和塑性影响很大，会使铸坯的裂纹敏感性增强，表面质量下降。
（2）温度：铸坯表面温度分布不均，温度梯度的存在导致铸坯表面热应力的集中，对横裂纹的形成产生很大的影响。另外根据已有的对钢的高强度所进行的研究，横裂纹的出现与高温塑性区（1300～1000℃）及低温脆性区（1000～600℃）有关。
（3）应力：结晶器段，由于结晶器振动引起结晶器铜板与坯壳之间存在摩擦力，当结晶器振动参数选择不当或保护渣润滑条件不好时，摩擦力增大超过铸坯某点的临界强度时，铸坯表面以振痕波谷处为起点，在结晶器内初步形成微细横裂纹，进入矫直区后由于拉伸应力的作用，横裂纹将沿着奥氏体晶界进一步扩展，甚至形成新生裂纹。
2、表面横裂纹的预防措施
根据连铸坯横裂纹的形成机理及影响因素的讨论，相应的减少铸坯横裂纹的技术措施主要有：
（1）控制钢的成分。目前，对于船板、管线等高级别钢，碳含量在 0.08%～0.12%，在结晶器中凝固时发生亚包晶反应，使铸坯对裂纹非常敏感。在保证钢材应有的力学性能的前提下，尽量合理控制钢液中碳、硫、磷、铝等元素的含量，以及铌、钒、钛等微合金元素的存在；
（2）结晶器振动。众所周知，采用高频率、小振幅的振动曲线可调的液压振动系统，是减轻振痕、减少表面横裂纹的有效措施。目前，已采用非正弦振动来增加正滑脱时间，这有利于保护渣的流入和减少负滑脱时间，从而减轻振痕深度，减少铸坯表面横裂纹的发生率；
（3）控制结晶器的操作。控制液面波动在±（3～5）mm 的水平，稳定液面操作；避免侵入式水口堵塞及偏流；合理调整结晶器锥度等，均有利于减少横裂纹的形成；
（4）采用合理的二冷强度。二冷区宜采用中等或较弱的冷却强度（水量为0.6～0.8L/kg），使板坯表面温度在 900℃以上的单相奥氏体区矫直。采用板坯宽度喷水可调，保持铸坯横向温度的均匀性，防止铸坯局部过冷，这是防止板坯横裂纹产生的主要有效措施；
（5）设备维护。为减少铸坯所受应力作用（如热应力、鼓肚力等），以使带液芯的高温铸坯在连铸机内运行过程不变形为原则，把连铸机作为一台精密机器来维护，使连铸机处于良好的热工作状态，这是防止或减轻铸坯产生裂纹的基础。
四、结论
本文通过分析了连铸坯表面横裂纹形成的主要机理。在对钢的高温力学性能进行分析的基础上，具体划分并详细描述了连铸坯横裂纹形成的各个阶段。确定了影响连铸坯表面横裂纹的主要因素，总结出了防止或减少表面横裂纹产生的有效技术措施。
参考文献：
[1] 高峰. 连铸板坯皮下裂纹的产生原因分析[J]. 物理测试，2011，（6）：13.
[2] 朱斌. 重钢中厚板表面微裂纹研究[J]. 科技创新导刊，2009：8.
[关键词]横裂纹 连铸坯 振痕深度
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-005-01
一、横裂纹的形成机理
表面横向裂纹的早期形成阶段，出现在结晶器内的高温区，约在弯月面以下250～350mm 处，并且与振痕附近的偏析有关。结晶器振动的目的是防止初生坯壳与结晶器黏结而漏钢，但不可避免地會在初生坯壳表面上留下振动痕迹。而铸坯横裂纹产生于振动痕迹的波谷处，振痕越深，横裂纹越严重。在结晶器内，振痕波谷处产生表面横裂纹源的原因：
（1）1495℃左右，亚包晶钢收缩较强，坯壳与结晶器铜板之间形成气隙，振痕波谷处传热减慢，坯壳温度高（约 1300℃左右），奥氏体晶粒粗大降低了钢的高温塑性。尤其是亚包晶钢比低碳钢和高碳钢表现的更明显（见图 2-2b））。
（2）由于拉坯阻力过大或者由于结晶器锥度过大而致使铸坯拉裂，这也是形成横裂纹的原因之一。
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（二冷区、矫直区）：
（1）奥氏体到铁素体相变过程中，第二相质点（氮化物）在奥氏体晶界析出，增加了晶界脆性。
（2）铸坯在运行过程中受到弯曲（内弧受压，外弧受张力）和矫直（内弧受张力，外弧受压力）以及鼓肚作用，铸坯刚好处于低温脆性区（小于 900 ℃），又加上相当于应力集中“缺口效应”的振痕，受到拉伸应力作用的应变量如果超过 1.3%，在振痕波谷处就容易产生横裂纹。裂纹沿奥氏体晶界扩展到具有良好塑性温度为止。
从钢的高温力学性能出发，对铸坯裂纹的形成存在如下理论：
（1）晶界脆化理论：在钢液凝固前沿，当液相率约为 0.1 时，树枝晶受到溶质（如硫化物）高度富集的液体薄膜的包围，从而降低了固相线温度附近处钢的高温临界强度。若此时铸坯受到较强的外力作用，将导致钢液凝固前沿沿晶界形成裂纹。
（2）硫化物脆化理论：在 1300℃到固相线温度的高温区，硫化物沿晶界析出，降低了晶界强度，增加了晶界脆性，成为裂纹优先形成的地方。这就是结晶器内已凝固坯壳形成裂纹的一个重要原因。
（3）质点沉淀脆化理论：在 600～1000℃温度区间，AlN，Nb 等碳、氮化物随着铸坯冷却凝固，纷纷在奥氏体晶界析出，降低了晶界强度，增加了裂纹的敏感性。这是铸坯矫直过程中，凝固坯壳形成裂纹的重要原因之一。
二、横裂纹形成阶段的划分
综合考虑铸坯的高温力学性能以及铸坯在连铸机内运行中受到的各种外部机械应力，将铸坯凝固过程中表面横裂纹的形成划分为以下四个阶段：
（1）第一阶段，在靠近结晶器壁的铸坯表层，首先形成正常大小的奥氏体晶粒，尺寸约小于 500μm，而亚层为高度择优取向的凝固组织。
（2）第二阶段，此时铸坯表面温度在 1350℃左右，奥氏体晶粒逐渐增长，大于初生奥氏体晶粒尺寸的几倍。在应力作用下，超大奥氏体晶粒的晶界将逐渐被削弱并最终断裂生成非常细小的裂纹源。
（3）第三阶段，在超大奥氏体晶粒的晶界，固态硫化物的逐渐析出促进了裂纹的生成。硫化物渗透到超大奥氏体晶粒的晶界，使晶界强度弱化形成微裂纹源并沿晶界逐渐扩展。
（4）第四阶段，进入矫直阶段，先共析铁素体在奥氏体中形核析出致了晶界强度弱化，Al，Nb 的低温碳、氮化物的析出也促进了晶界塑性降低。若是铸坯矫直时的温度刚好处于第三脆性区（约为 900℃），在矫直应力作用下，原有的显微裂纹将沿着超大晶粒的晶界扩展。大部分微裂纹在矫直之前已存在，但也可能导致新生微裂纹。
三、表面横裂纹的影响因素及预防措施
1、表面横裂纹的影响因素
影响铸坯表面横裂纹的因素有很多，主要包括化学元素、温度、机械应力、振痕、液面变动、保护渣、结晶器倒锥度、变形速度等。
（1）化学元素：钢中碳、硫、磷、铝等元素对铸坯的强度和塑性影响很大，会使铸坯的裂纹敏感性增强，表面质量下降。
（2）温度：铸坯表面温度分布不均，温度梯度的存在导致铸坯表面热应力的集中，对横裂纹的形成产生很大的影响。另外根据已有的对钢的高强度所进行的研究，横裂纹的出现与高温塑性区（1300～1000℃）及低温脆性区（1000～600℃）有关。
（3）应力：结晶器段，由于结晶器振动引起结晶器铜板与坯壳之间存在摩擦力，当结晶器振动参数选择不当或保护渣润滑条件不好时，摩擦力增大超过铸坯某点的临界强度时，铸坯表面以振痕波谷处为起点，在结晶器内初步形成微细横裂纹，进入矫直区后由于拉伸应力的作用，横裂纹将沿着奥氏体晶界进一步扩展，甚至形成新生裂纹。
2、表面横裂纹的预防措施
根据连铸坯横裂纹的形成机理及影响因素的讨论，相应的减少铸坯横裂纹的技术措施主要有：
（1）控制钢的成分。目前，对于船板、管线等高级别钢，碳含量在 0.08%～0.12%，在结晶器中凝固时发生亚包晶反应，使铸坯对裂纹非常敏感。在保证钢材应有的力学性能的前提下，尽量合理控制钢液中碳、硫、磷、铝等元素的含量，以及铌、钒、钛等微合金元素的存在；
（2）结晶器振动。众所周知，采用高频率、小振幅的振动曲线可调的液压振动系统，是减轻振痕、减少表面横裂纹的有效措施。目前，已采用非正弦振动来增加正滑脱时间，这有利于保护渣的流入和减少负滑脱时间，从而减轻振痕深度，减少铸坯表面横裂纹的发生率；
（3）控制结晶器的操作。控制液面波动在±（3～5）mm 的水平，稳定液面操作；避免侵入式水口堵塞及偏流；合理调整结晶器锥度等，均有利于减少横裂纹的形成；
（4）采用合理的二冷强度。二冷区宜采用中等或较弱的冷却强度（水量为0.6～0.8L/kg），使板坯表面温度在 900℃以上的单相奥氏体区矫直。采用板坯宽度喷水可调，保持铸坯横向温度的均匀性，防止铸坯局部过冷，这是防止板坯横裂纹产生的主要有效措施；
（5）设备维护。为减少铸坯所受应力作用（如热应力、鼓肚力等），以使带液芯的高温铸坯在连铸机内运行过程不变形为原则，把连铸机作为一台精密机器来维护，使连铸机处于良好的热工作状态，这是防止或减轻铸坯产生裂纹的基础。
四、结论
本文通过分析了连铸坯表面横裂纹形成的主要机理。在对钢的高温力学性能进行分析的基础上，具体划分并详细描述了连铸坯横裂纹形成的各个阶段。确定了影响连铸坯表面横裂纹的主要因素，总结出了防止或减少表面横裂纹产生的有效技术措施。
参考文献：
[1] 高峰. 连铸板坯皮下裂纹的产生原因分析[J]. 物理测试，2011，（6）：13.
[2] 朱斌. 重钢中厚板表面微裂纹研究[J]. 科技创新导刊，2009：8.