連鑄坯中間裂紋與表面裂紋的萌生及擴展規律：基于多因素耦合分析一、引言1.1研究背景與意義在現代鋼鐵生產中，連鑄技術作為鋼鐵工業發展的關鍵環節，極大地提高了生產效率和產品質量。然而，連鑄坯裂紋問題一直是影響鋼材質量和生產穩定性的重要因素。連鑄坯裂紋主要包括中間裂紋和表面裂紋，這些裂紋的存在不僅降低了鋼材的力學性能和加工性能，還可能導致產品在后續使用過程中出現安全隱患。連鑄坯裂紋對鋼材質量產生多方面的負面影響。在力學性能方面，裂紋的存在破壞了鋼材的連續性和完整性，降低了鋼材的強度、韌性和疲勞壽命。當裂紋擴展到一定程度時，鋼材在承受載荷時容易發生斷裂，嚴重影響產品的使用性能和安全性。在加工性能方面，裂紋會導致鋼材在軋制、鍛造等加工過程中出現開裂、分層等問題，增加加工難度和廢品率，降低生產效率和經濟效益。例如，在軋制過程中，表面裂紋可能會隨著軋制變形而擴展，導致板材出現分層缺陷，無法滿足產品的質量要求。連鑄坯裂紋也對生產過程造成諸多不利影響。裂紋的產生會增加鑄坯的廢品率，導致生產成本上升。在澆鑄過程中，嚴重的裂紋還可能引發拉漏事故，造成鋼水泄漏，不僅會損壞設備，還可能危及生產人員的安全，影響連鑄機的正常生產，造成生產中斷和鋼水浪費。裂紋還會限制鑄坯熱送技術和連鑄連軋技術的應用，降低生產效率和能源利用率。研究連鑄坯中間裂紋與表面裂紋的萌生及擴展規律，對優化連鑄工藝具有重要意義。通過深入了解裂紋的形成機制和影響因素，可以為連鑄工藝參數的優化提供科學依據，從而有效減少裂紋的產生，提高鑄坯質量。例如，通過調整鋼水成分、澆鑄溫度、拉坯速度、二次冷卻等工藝參數，可以改善鑄坯的凝固條件，減少應力集中，降低裂紋的敏感性。合理的工藝優化還可以提高生產效率，降低生產成本，增強企業的市場競爭力。研究裂紋的萌生及擴展規律有助于開發新的連鑄技術和設備，推動鋼鐵行業的技術進步。1.2國內外研究現狀連鑄坯裂紋問題一直是國內外學者和鋼鐵企業關注的焦點。近年來，隨著連鑄技術的不斷發展和對鋼材質量要求的日益提高，關于連鑄坯裂紋的研究取得了豐碩的成果。國外對連鑄坯裂紋的研究起步較早，在理論和實踐方面都積累了豐富的經驗。在裂紋形成機理方面，通過建立數學模型和物理模擬，深入研究了鋼水凝固過程中的傳熱、傳質和應力分布規律，揭示了裂紋產生的本質原因。有學者運用有限元方法對連鑄坯凝固過程進行模擬，分析了不同工藝參數對溫度場、應力場的影響，從而為裂紋形成機理的研究提供了有力的工具。在裂紋影響因素方面，國外研究主要集中在鋼水成分、澆鑄溫度、拉坯速度、二次冷卻等工藝參數以及結晶器振動、輥縫控制等設備因素上。研究發現，鋼中碳、硫、磷等元素的含量對裂紋敏感性有顯著影響，合理控制這些元素的含量可以降低裂紋的產生幾率。國外還在連鑄工藝優化和裂紋控制技術方面取得了重要進展，如采用輕壓下技術、電磁攪拌技術、動態二冷控制技術等，有效減少了連鑄坯裂紋的產生。國內對連鑄坯裂紋的研究也在不斷深入，結合國內鋼鐵企業的生產實際，取得了一系列具有實際應用價值的成果。在裂紋形成機理方面，國內學者通過實驗研究和理論分析，對連鑄坯中間裂紋和表面裂紋的形成過程有了更深入的認識。通過高溫拉伸實驗、金相分析等手段，研究了鋼在高溫下的力學性能和組織變化，為裂紋形成機理的研究提供了實驗依據。在裂紋影響因素方面，國內研究不僅關注工藝參數和設備因素，還對鋼水純凈度、夾雜物形態等因素進行了深入研究。發現鋼水中的夾雜物會降低鋼的塑性和韌性，增加裂紋的敏感性，通過優化煉鋼工藝和精煉技術，可以提高鋼水的純凈度，減少夾雜物的含量，從而降低裂紋的產生。在裂紋控制技術方面，國內鋼鐵企業積極引進和消化國外先進技術，同時開展自主創新，開發出了適合國內生產條件的裂紋控制技術，如結晶器在線調寬技術、鑄坯熱裝熱送技術等，有效提高了連鑄坯的質量和生產效率。盡管國內外在連鑄坯裂紋研究方面取得了顯著成果，但仍存在一些不足之處。一方面，對于復雜鋼種和特殊工況下的連鑄坯裂紋問題，研究還不夠深入，缺乏系統性和針對性的解決方案。不同鋼種的凝固特性和裂紋敏感性差異較大，在實際生產中，一些新型鋼種的連鑄坯裂紋問題仍然較為突出，需要進一步深入研究其形成機理和控制方法。另一方面，現有的研究主要集中在單一因素對裂紋的影響，而對于多因素耦合作用下的裂紋形成和擴展規律，研究還相對較少。連鑄過程是一個復雜的多物理場耦合過程，鋼水成分、工藝參數、設備狀態等因素相互影響，共同作用于連鑄坯裂紋的產生和發展，因此，需要開展多因素耦合作用下的裂紋研究，為連鑄工藝優化提供更全面的理論支持?，F有研究在裂紋檢測和預測技術方面還存在一定的局限性，難以實現對連鑄坯裂紋的實時、準確檢測和預測，需要進一步加強相關技術的研發和應用。1.3研究內容與方法本文主要研究連鑄坯中間裂紋與表面裂紋的萌生及擴展規律，具體研究內容如下：連鑄坯中間裂紋的形成機理：深入研究連鑄坯在凝固過程中的傳熱、傳質和應力分布規律，分析中間裂紋產生的熱力學和力學條件。通過實驗研究和數值模擬，探究鋼水成分、澆鑄溫度、拉坯速度、二次冷卻等工藝參數對中間裂紋形成的影響，揭示中間裂紋的形成機理。例如，研究鋼中碳、硫、磷等元素的含量對鑄坯凝固過程中晶界偏析和裂紋敏感性的影響，以及不同澆鑄溫度和拉坯速度下鑄坯內部應力的分布情況。連鑄坯表面裂紋的形成機理：研究連鑄坯在結晶器內的凝固過程，分析表面裂紋產生的原因和影響因素。通過實驗觀察和理論分析，探討結晶器振動、保護渣性能、鋼水液面波動等因素對表面裂紋形成的影響，揭示表面裂紋的形成機理。比如，研究結晶器振動參數對鑄坯表面振痕深度和裂紋萌生的影響，以及保護渣的潤滑性能和傳熱性能對坯殼生長和表面裂紋的影響。裂紋的擴展規律：運用斷裂力學理論和實驗方法，研究連鑄坯中間裂紋和表面裂紋在不同工況下的擴展規律。通過建立裂紋擴展模型，分析裂紋擴展的驅動力和阻力，預測裂紋的擴展路徑和擴展速率。例如，研究在不同溫度、應力和介質環境下，裂紋的擴展行為和擴展機制，以及裂紋擴展對鑄坯質量和性能的影響。工藝參數對裂紋的影響：系統研究鋼水成分、澆鑄溫度、拉坯速度、二次冷卻等工藝參數對連鑄坯中間裂紋和表面裂紋的影響規律。通過正交實驗和單因素實驗，優化工藝參數，降低裂紋的產生幾率。例如，通過實驗研究不同鋼水成分和澆鑄溫度下鑄坯裂紋的發生率，確定最佳的鋼水成分和澆鑄溫度范圍，以及研究拉坯速度和二次冷卻水量對裂紋敏感性的影響，優化拉坯速度和二次冷卻制度。裂紋控制技術：基于對連鑄坯中間裂紋和表面裂紋形成機理和擴展規律的研究，提出有效的裂紋控制技術和措施。包括優化連鑄工藝參數、改進結晶器結構和振動方式、采用電磁攪拌技術、優化二次冷卻制度等。例如，通過優化結晶器的結構和振動參數，改善鑄坯的凝固條件，減少應力集中，降低裂紋的產生；采用電磁攪拌技術，改善鋼水的流動狀態和凝固組織，提高鑄坯的質量。本文采用實驗研究、數值模擬和理論分析相結合的方法，對連鑄坯中間裂紋與表面裂紋的萌生及擴展規律進行深入研究。實驗研究：通過在實際連鑄生產中采集鑄坯樣本，運用金相分析、掃描電鏡、能譜分析等實驗手段，觀察裂紋的形態、分布和微觀結構，分析裂紋的產生原因和影響因素。設計并進行連鑄實驗，研究不同工藝參數對裂紋形成的影響，為理論分析和數值模擬提供實驗依據。例如，在連鑄實驗中，改變鋼水成分、澆鑄溫度、拉坯速度等參數，觀察鑄坯裂紋的產生情況，分析各參數對裂紋形成的影響。數值模擬：利用有限元軟件對連鑄坯的凝固過程進行數值模擬，分析鑄坯內部的溫度場、應力場和應變場分布，研究裂紋的萌生和擴展過程。通過建立連鑄坯凝固過程的數學模型，模擬不同工藝參數下鑄坯的凝固行為，預測裂紋的產生位置和擴展趨勢，為工藝優化提供理論支持。例如，運用有限元軟件模擬不同澆鑄溫度和拉坯速度下鑄坯內部的溫度分布和應力變化，分析裂紋的萌生和擴展情況，為優化工藝參數提供參考。理論分析：基于金屬凝固原理、傳熱學、力學等理論知識，對連鑄坯裂紋的形成機理和擴展規律進行理論分析。建立裂紋形成和擴展的理論模型，推導相關公式，分析裂紋產生的熱力學和力學條件，為實驗研究和數值模擬提供理論指導。例如，運用斷裂力學理論分析裂紋擴展的驅動力和阻力，建立裂紋擴展的理論模型，預測裂紋的擴展速率和擴展路徑。二、連鑄坯中間裂紋的萌生及擴展規律2.1中間裂紋的形成機理連鑄坯中間裂紋是在鑄坯凝固過程中產生的一種內部裂紋，其形成機理較為復雜，涉及到凝固過程中的應力變化、鋼水成分等多個因素。了解中間裂紋的形成機理，對于控制和減少裂紋的產生具有重要意義。2.1.1凝固過程中的應力分析在連鑄坯凝固過程中，會受到多種應力的作用，這些應力的相互作用是導致中間裂紋形成的重要原因。熱應力是由于鑄坯在凝固過程中溫度分布不均勻而產生的。鑄坯表面冷卻速度快，溫度低，而內部冷卻速度慢，溫度高，這種溫度差會導致鑄坯內部產生熱應力。在凝固初期，坯殼較薄，熱應力較小，但隨著坯殼的增厚和凝固的進行，熱應力逐漸增大。當熱應力超過鑄坯的高溫強度時，就會在鑄坯內部產生裂紋。例如，在二次冷卻區，鑄坯表面受到強烈的冷卻，溫度急劇下降，而內部溫度下降較慢，從而在鑄坯內部產生較大的熱應力，容易引發中間裂紋。鼓肚力是由于鑄坯在凝固過程中，內部鋼水靜壓力作用于坯殼，使坯殼向外膨脹而產生的。當鑄坯的支撐條件不足或輥縫開口度不均勻時，坯殼會在鋼水靜壓力的作用下發生鼓肚變形。鼓肚變形會導致鑄坯內部產生拉伸應力，當拉伸應力超過鑄坯的高溫強度時，就會在鑄坯內部產生裂紋。在鑄坯的凝固末端，坯殼較薄，鼓肚力的影響更為顯著，容易導致中間裂紋的產生。矯直力是在鑄坯進入矯直區時，由于鑄坯的彎曲變形而產生的。當鑄坯的矯直工藝不合理或鑄坯的高溫塑性較差時，矯直力會使鑄坯內部產生應力集中，從而引發裂紋。例如，在連續彎曲連續矯直過程中，如果矯直點的位置和矯直力的大小控制不當，就會使鑄坯在矯直過程中受到過大的應力，導致中間裂紋的產生。這些應力在鑄坯凝固過程中相互疊加，共同作用于鑄坯的凝固界面。當綜合應力超過鑄坯在該溫度下的高溫強度和臨界應變值時，就會在凝固界面處產生裂紋，并向鑄坯內部擴展，形成中間裂紋。因此，在連鑄過程中，合理控制這些應力的大小和分布，對于減少中間裂紋的產生至關重要。2.1.2鋼水成分的影響鋼水成分對連鑄坯中間裂紋的敏感性有著顯著影響，其中S、P、C等元素的含量起著關鍵作用。硫（S）是一種有害元素，它在鋼中會形成低熔點的硫化物，如FeS。這些硫化物在晶界處偏析，降低了晶界的強度和塑性。當鑄坯在凝固過程中受到應力作用時，晶界處的硫化物容易引發裂紋的萌生和擴展。研究表明，鋼中硫含量越高，中間裂紋的敏感性就越強。當硫含量超過一定值時，鑄坯中間裂紋的發生率會顯著增加。磷（P）也是一種裂紋敏感性元素，它在鋼中會引起晶界偏析，降低鋼的高溫塑性。磷的偏析會使晶界處的強度降低，容易在應力作用下產生裂紋。同時，磷還會與其他元素形成脆性化合物，進一步增加鋼的裂紋敏感性。在連鑄生產中，嚴格控制鋼中磷的含量，可以有效降低中間裂紋的產生幾率。碳（C）含量對鋼的凝固特性和力學性能有重要影響。在包晶鋼中，碳含量在一定范圍內（0.09%-0.14%）時，由于δ-γ相變和樹枝晶的顯微偏析，會導致鑄坯線收縮增大，坯殼與結晶器壁之間容易形成氣隙，從而影響傳熱，使坯殼生長不均勻，增加中間裂紋的敏感性。因此，在生產包晶鋼時，需要合理控制碳含量，以降低中間裂紋的產生風險。鋼中的其他元素如Mn、Si等也會對中間裂紋的敏感性產生一定影響。錳（Mn）可以與硫形成MnS，減少硫的有害作用，提高鋼的抗裂紋能力。硅（Si）可以提高鋼的強度和硬度，但過高的硅含量會降低鋼的塑性，增加裂紋敏感性。在實際生產中，需要綜合考慮鋼水成分的各個因素，通過優化成分設計，降低連鑄坯中間裂紋的敏感性。2.2中間裂紋萌生的影響因素2.2.1工藝參數拉速：拉速對連鑄坯中間裂紋的影響較為顯著。當拉速過高時，鑄坯內部的液芯長度會顯著增加，這使得鑄坯在凝固過程中受到的鋼水靜壓力增大，容易導致坯殼鼓肚變形。鼓肚變形會在鑄坯內部產生拉伸應力，當拉伸應力超過鑄坯的高溫強度時，就會引發中間裂紋。在實際生產中，若拉速從正常的1.0m/min提高到1.3m/min，鑄坯的中間裂紋發生率明顯上升。拉速的頻繁波動也會對中間裂紋的產生產生不利影響。拉速的變化會導致鑄坯凝固末端位置的改變，使得凝固前沿的應力分布不均勻，增加了裂紋萌生的幾率。在升速或降速過程中，鑄坯內部的熱應力和相變應力會發生變化，容易在薄弱部位產生裂紋。過熱度：鋼水過熱度是影響中間裂紋的重要因素之一。過熱度偏高時，凝固前沿結晶形核的速率變低，等軸晶不易形成，凝固坯殼與中心鋼液的溫度梯度增大，柱狀晶易于生長和長大。發達的柱狀晶會導致鑄坯的各向異性增強，裂紋更容易沿著柱狀晶界擴展。過熱度偏高還會使凝固末端位置下移，鑄坯在凝固過程中受到的應力作用時間延長，增加了中間裂紋產生的可能性。有研究表明，當過熱度從20℃提高到40℃時，鑄坯中間裂紋的發生率增加了約30%。鋼水過熱度還會影響鑄坯的凝固組織和中心偏析程度。過熱度高會使中心偏析加重，在有鼓肚以及澆注異常時，對中間裂紋的產生有明顯的促進作用。二冷制度：二冷制度對連鑄坯中間裂紋的產生有著重要影響。二冷強度過大，鑄坯表面冷卻速度過快，會導致鑄坯內部產生較大的熱應力，容易引發中間裂紋。冷卻強度過大還會使鑄坯表面溫度過低，在后續的矯直過程中，鑄坯的塑性降低，增加了裂紋產生的風險。二冷強度過小，鑄坯冷卻不足，坯殼生長緩慢，在鋼水靜壓力的作用下，鑄坯容易發生鼓肚變形，從而導致中間裂紋的產生。二冷區各段冷卻不均勻也會對中間裂紋的產生產生影響。如果鑄坯的某一部分冷卻過快，而另一部分冷卻過慢，會導致鑄坯內部應力分布不均勻，在應力集中的部位容易產生裂紋。因此，合理的二冷制度對于減少中間裂紋的產生至關重要，需要根據鑄坯的材質、斷面尺寸和拉速等因素，優化二冷區各段的冷卻水量和冷卻方式，使鑄坯均勻冷卻，降低應力集中，減少中間裂紋的產生幾率。2.2.2設備因素結晶器冷卻不均勻：結晶器是連鑄過程中鑄坯凝固的關鍵設備，其冷卻均勻性對鑄坯質量有著重要影響。如果結晶器冷卻不均勻，會導致鑄坯在結晶器內的凝固坯殼厚度不一致。在冷卻較快的部位，坯殼生長較快，而在冷卻較慢的部位，坯殼生長較慢，這會使鑄坯內部產生應力集中。當應力超過鑄坯的高溫強度時，就會在坯殼薄弱處產生裂紋，并有可能向鑄坯內部擴展，形成中間裂紋。結晶器角部冷卻不均勻是導致角部裂紋和中間裂紋的常見原因之一。由于結晶器角部的散熱條件與其他部位不同，容易出現冷卻過快或過慢的情況，從而引發裂紋。結晶器的冷卻水質、水流分布和銅板磨損等因素都會影響冷卻均勻性。因此，需要定期檢查和維護結晶器，確保冷卻系統正常運行，保證結晶器冷卻均勻，減少中間裂紋的產生。輥縫對弧精度：輥縫對弧精度是保證鑄坯在連鑄機內正常運行和凝固的重要條件。如果輥縫對弧不準確，鑄坯在通過輥縫時會受到不均勻的壓力和摩擦力，導致鑄坯表面變形和內部應力分布不均勻。在高溫狀態下，鑄坯的塑性較好，但當受到過大的不均勻應力時，仍然容易在固液界面處產生裂紋，進而發展為中間裂紋。輥縫開口度過大或過小都會對鑄坯質量產生不利影響。開口度過大，鑄坯在鋼水靜壓力的作用下會發生鼓肚變形，增加中間裂紋的產生幾率；開口度過小，鑄坯會受到過大的擠壓應力，也容易導致裂紋的產生。因此，需要嚴格控制輥縫對弧精度，定期檢查和調整輥縫，確保鑄坯在連鑄機內平穩運行，減少因輥縫問題導致的中間裂紋。支撐輥變形：支撐輥在連鑄過程中起著支撐鑄坯和引導鑄坯運動的作用。如果支撐輥發生變形，會使鑄坯在運行過程中受到不均勻的支撐力，導致鑄坯表面局部應力集中。在凝固過程中，鑄坯的坯殼較薄，對應力較為敏感，當受到不均勻的支撐力時，容易在坯殼內部產生裂紋，這些裂紋可能會進一步擴展形成中間裂紋。支撐輥的磨損、疲勞和熱變形等都可能導致支撐輥變形。因此，需要加強對支撐輥的維護和管理，定期檢查支撐輥的表面質量和形狀，及時更換磨損或變形嚴重的支撐輥，保證支撐輥的正常工作，減少因支撐輥變形導致的中間裂紋。2.3中間裂紋的擴展行為2.3.1擴展方向與路徑中間裂紋在鑄坯中的擴展方向和路徑受到多種因素的影響，包括應力分布、凝固組織以及鋼水成分等。通過實驗觀察和數值模擬，能夠深入了解其擴展規律。在連鑄坯凝固過程中，由于熱應力、鼓肚力和矯直力等的綜合作用，中間裂紋通常沿著柱狀晶界擴展。柱狀晶在凝固過程中呈定向生長，其晶界處存在著成分偏析和應力集中，這些區域的強度相對較低，容易成為裂紋擴展的路徑。當鑄坯受到外部應力作用時，裂紋會優先在晶界處萌生，并沿著晶界向鑄坯內部擴展。在一些低碳鋼連鑄坯中，通過金相分析可以觀察到中間裂紋沿著柱狀晶界呈“之”字形或直線狀擴展。鑄坯的凝固組織對裂紋擴展路徑也有重要影響。等軸晶區的存在可以阻礙裂紋的擴展，因為等軸晶的晶粒取向隨機，裂紋在擴展過程中需要不斷改變方向，消耗更多的能量，從而減緩了裂紋的擴展速度。當鑄坯中存在較大比例的等軸晶時，中間裂紋在擴展到等軸晶區時，會發生明顯的偏轉和分支，擴展路徑變得更加曲折。鋼水成分中的雜質元素如S、P等會降低晶界的強度，促進裂紋的擴展。這些雜質元素在晶界處偏析，形成低熔點化合物，降低了晶界的結合力，使得裂紋更容易在晶界處擴展。研究表明，鋼中硫含量越高，中間裂紋的擴展速率越快，擴展路徑也更加不穩定。通過數值模擬，可以更直觀地分析中間裂紋的擴展方向和路徑。利用有限元軟件建立連鑄坯凝固過程的模型，考慮熱應力、鼓肚力等因素的作用，模擬裂紋的萌生和擴展過程。模擬結果可以清晰地顯示裂紋在鑄坯中的擴展方向和路徑，以及不同因素對裂紋擴展的影響。在模擬過程中，改變拉速、過熱度等工藝參數，可以觀察到裂紋擴展路徑的變化，為優化連鑄工藝提供理論依據。2.3.2擴展驅動力中間裂紋的擴展驅動力主要來源于應力和溫度等因素，這些因素相互作用，共同影響著裂紋的擴展行為。應力是導致中間裂紋擴展的主要驅動力之一。在連鑄坯凝固過程中，熱應力、鼓肚力和矯直力等會在鑄坯內部產生應力集中，當應力超過鑄坯的斷裂強度時，裂紋就會擴展。熱應力是由于鑄坯在凝固過程中溫度分布不均勻而產生的，鑄坯表面冷卻速度快，溫度低，內部冷卻速度慢，溫度高，這種溫度差會導致鑄坯內部產生熱應力。當熱應力達到一定程度時，就會使裂紋尖端的應力強度因子增大，從而驅動裂紋擴展。鼓肚力是由于鑄坯在凝固過程中，內部鋼水靜壓力作用于坯殼，使坯殼向外膨脹而產生的。鼓肚變形會導致鑄坯內部產生拉伸應力，當拉伸應力超過鑄坯的高溫強度時，裂紋就會在固液界面處擴展。在鑄坯的凝固末端，坯殼較薄，鼓肚力的影響更為顯著，容易導致中間裂紋的擴展。矯直力是在鑄坯進入矯直區時，由于鑄坯的彎曲變形而產生的。當鑄坯的矯直工藝不合理或鑄坯的高溫塑性較差時，矯直力會使鑄坯內部產生應力集中，從而驅動裂紋擴展。在連續彎曲連續矯直過程中，如果矯直點的位置和矯直力的大小控制不當，就會使鑄坯在矯直過程中受到過大的應力，導致中間裂紋的擴展。溫度也是影響中間裂紋擴展的重要因素。在高溫下，鑄坯的塑性較好，但隨著溫度的降低，鑄坯的強度增加，塑性降低，裂紋的擴展阻力增大。在鑄坯凝固過程中，裂紋尖端的溫度場分布會影響裂紋的擴展行為。當裂紋尖端的溫度較高時，材料的塑性變形能力較強，裂紋容易擴展；而當裂紋尖端的溫度較低時，材料的脆性增加，裂紋擴展阻力增大。鋼水成分中的雜質元素如S、P等會降低晶界的強度，增加裂紋的擴展驅動力。這些雜質元素在晶界處偏析，形成低熔點化合物，降低了晶界的結合力，使得裂紋在擴展時所需的驅動力減小。鋼中硫含量較高時，晶界處容易形成低熔點的硫化物，在應力作用下，這些硫化物容易發生變形和開裂，從而促進裂紋的擴展。三、連鑄坯表面裂紋的萌生及擴展規律3.1表面裂紋的形成機理3.1.1結晶器內的凝固行為在連鑄過程中，鋼水首先進入結晶器，結晶器作為連鑄的關鍵部件，其內部的凝固行為對表面裂紋的產生有著至關重要的影響。鋼水在結晶器內的凝固是一個復雜的過程，可大致分為三個階段：彎月面區、緊密接觸區和氣隙區。在彎月面區，鋼水與結晶器壁初次接觸，由于結晶器壁的強制冷卻作用，鋼水迅速散熱，在結晶器壁表面形成一層極薄的初生坯殼。這層初生坯殼的形成速度極快，其厚度和質量對后續的凝固過程和表面裂紋的產生有著重要影響。初生坯殼的形成過程中，鋼水的過冷度、結晶器壁的冷卻強度以及鋼水的流動狀態等因素都會影響初生坯殼的均勻性和完整性。如果初生坯殼厚度不均勻，在后續的凝固過程中，就容易在薄弱部位產生應力集中，從而引發表面裂紋。隨著凝固的進行，坯殼逐漸向下生長，進入緊密接觸區。在這個區域，坯殼與結晶器壁緊密貼合，傳熱效果較好，坯殼繼續增厚。然而，由于鋼水的凝固收縮和鑄坯的拉坯運動，坯殼與結晶器壁之間會產生摩擦力，這種摩擦力會對坯殼產生一定的拉伸應力。當摩擦力過大時，可能會導致坯殼表面產生微小的裂紋，這些裂紋如果得不到及時的愈合，就會在后續的凝固過程中進一步擴展，形成表面裂紋。坯殼繼續向下運動，進入氣隙區。在氣隙區，坯殼與結晶器壁之間形成了氣隙，氣隙的存在大大降低了傳熱效率，使得坯殼的生長速度減緩。此時，坯殼受到鋼水靜壓力和自身收縮應力的作用，容易產生變形和裂紋。如果氣隙分布不均勻，坯殼各部位的受力情況也會不同，導致應力集中，增加表面裂紋產生的風險。結晶器內的凝固行為還受到鋼水成分、澆鑄溫度、拉坯速度等因素的影響。不同的鋼水成分具有不同的凝固特性，例如，含碳量較高的鋼在凝固過程中會發生包晶反應，導致坯殼收縮量增大，容易產生表面裂紋。澆鑄溫度過高會使鋼水的凝固速度減慢，坯殼厚度不均勻，增加表面裂紋的敏感性。拉坯速度過快則會導致坯殼受到的摩擦力和鋼水靜壓力增大，也容易引發表面裂紋。3.1.2應力集中與裂紋萌生結晶器振動、摩擦力、鋼水靜壓力等因素導致的應力集中是引發表面裂紋的重要原因。結晶器振動是連鑄過程中的一個重要工藝參數，其目的是防止鑄坯與結晶器壁粘結，促進保護渣的滲入，改善鑄坯的表面質量。然而，不當的結晶器振動參數會導致應力集中，從而引發表面裂紋。在結晶器振動過程中，鑄坯表面會受到周期性的作用力，當振動頻率和振幅不合適時，會使鑄坯表面產生較大的應力，特別是在負滑脫期間，結晶器向下運動的速度大于鑄坯的拉坯速度，坯殼受到的摩擦力和剪切力增大，容易在表面產生微小的裂紋。如果這些微小裂紋在后續的振動過程中得不到及時的愈合，就會逐漸擴展形成表面裂紋。摩擦力是鑄坯在結晶器內運動時不可避免的因素。鑄坯與結晶器壁之間的摩擦力主要來源于保護渣的潤滑性能和鑄坯與結晶器壁的接觸狀態。當保護渣的潤滑性能不良時，鑄坯與結晶器壁之間的摩擦力增大，會對坯殼產生較大的拉伸應力。在結晶器的角部和窄面，由于傳熱和受力情況的特殊性，摩擦力更容易導致應力集中，從而引發表面裂紋。鑄坯的拉坯速度、結晶器的錐度以及結晶器壁的粗糙度等因素也會影響摩擦力的大小和分布，進而影響表面裂紋的產生。鋼水靜壓力是作用在鑄坯表面的另一個重要應力源。在結晶器內，鋼水靜壓力隨著鋼水液面的高度而增加，它會對鑄坯表面產生一個向外的壓力。當鑄坯的坯殼較薄或強度較低時，鋼水靜壓力容易使坯殼產生變形和裂紋。在結晶器的彎月面區，鋼水靜壓力的作用尤為明顯，因為這里的坯殼最薄，抵抗變形的能力最弱。如果鋼水液面波動較大，鋼水靜壓力的變化也會加劇，進一步增加表面裂紋產生的風險。除了上述因素外，結晶器的熱應力、鑄坯的熱收縮應力以及鋼中夾雜物的存在等也會導致應力集中，從而引發表面裂紋。結晶器在工作過程中，由于受到鋼水的高溫作用和冷卻水的冷卻作用，會產生熱應力，這種熱應力會傳遞到鑄坯表面，影響表面裂紋的產生。鑄坯在凝固過程中會發生熱收縮，當收縮受到限制時，就會產生熱收縮應力，這種應力也容易導致表面裂紋的萌生。鋼中的夾雜物會降低鋼的塑性和強度，在應力作用下，夾雜物周圍容易產生應力集中，從而引發表面裂紋。3.2表面裂紋萌生的影響因素3.2.1結晶器相關因素冷卻不均勻：結晶器冷卻不均勻是導致表面裂紋萌生的重要因素之一。當結晶器冷卻不均勻時，會使鑄坯在結晶器內的凝固坯殼厚度不一致，從而產生熱應力。在結晶器的角部和窄面，由于散熱條件的特殊性，更容易出現冷卻不均勻的情況，導致局部熱應力集中，增加表面裂紋的敏感性。結晶器的冷卻水質、水流分布以及銅板的磨損等都會影響冷卻均勻性。冷卻水中的雜質可能會堵塞冷卻通道，導致水流不暢，從而使冷卻不均勻；銅板的磨損會使結晶器的傳熱性能發生變化，也會影響冷卻效果。研究表明，結晶器冷卻不均勻時，鑄坯表面的溫度差可達50-100℃，這種溫度差會產生較大的熱應力，容易引發表面裂紋。振動參數不合理：結晶器振動參數對表面裂紋的萌生有著重要影響。振動頻率和振幅是結晶器振動的兩個關鍵參數，它們的選擇直接影響到鑄坯表面的振痕深度和應力分布。振動頻率過高或振幅過大，會使鑄坯表面受到較大的沖擊力和摩擦力，導致表面振痕加深，應力集中加劇，從而增加表面裂紋的產生幾率。當振動頻率從正常的150次/min提高到200次/min時，鑄坯表面的振痕深度明顯增加，表面裂紋的發生率也相應提高。負滑脫時間也是一個重要的振動參數，它影響著保護渣的滲入和鑄坯表面的質量。負滑脫時間過長，會使鑄坯表面與結晶器壁之間的摩擦力增大，容易導致表面裂紋的產生。因此，合理調整結晶器的振動參數，如降低振動頻率、減小振幅、優化負滑脫時間等，可以有效減少表面裂紋的萌生。潤滑不良：結晶器潤滑不良會導致鑄坯與結晶器壁之間的摩擦力增大，從而產生較大的拉伸應力，容易引發表面裂紋。保護渣是結晶器潤滑的關鍵介質，其性能對潤滑效果有著重要影響。保護渣的黏度、熔點、析晶性能等都會影響其在結晶器壁和鑄坯之間的潤滑作用。如果保護渣的黏度不合適，會導致其在結晶器壁和鑄坯之間的分布不均勻，從而使潤滑效果變差；保護渣的熔點過高，會使其在結晶器內難以熔化，無法起到良好的潤滑作用。結晶器的錐度、表面粗糙度等也會影響潤滑效果。結晶器錐度不合適會導致鑄坯與結晶器壁之間的間隙不均勻，從而影響保護渣的滲入；結晶器表面粗糙度大，會增加鑄坯與結晶器壁之間的摩擦力，降低潤滑效果。因此，選擇合適的保護渣，優化結晶器的結構和表面質量，保證良好的潤滑效果，對于減少表面裂紋的萌生至關重要。3.2.2鋼水質量因素夾雜物含量：鋼水中的夾雜物是導致表面裂紋的重要原因之一。夾雜物的存在會降低鋼的塑性和強度，在應力作用下，夾雜物周圍容易產生應力集中，從而引發表面裂紋。夾雜物的類型、尺寸和分布對裂紋的產生有著不同的影響。脆性夾雜物如Al2O3、SiO2等，其硬度高、塑性差，在鋼中容易形成應力集中點，促進裂紋的萌生。大尺寸的夾雜物比小尺寸的夾雜物更容易引發裂紋，因為大尺寸夾雜物與基體之間的界面結合力較弱，在應力作用下更容易產生脫粘和開裂。夾雜物在鋼中的分布不均勻也會增加裂紋的敏感性，當夾雜物在晶界或表面附近聚集時，會降低晶界和表面的強度，容易導致裂紋的產生。通過優化煉鋼工藝，如采用精煉技術、控制脫氧制度等，可以減少鋼水中夾雜物的含量和尺寸，改善夾雜物的分布，從而降低表面裂紋的產生幾率。氣體含量：鋼水中的氣體主要包括氫氣、氮氣和氧氣等，這些氣體的存在會對連鑄坯的質量產生不利影響，增加表面裂紋的敏感性。氫氣在鋼中會形成氫脆，降低鋼的塑性和韌性，使鋼在受力時容易產生裂紋。當鋼水中的氫含量超過一定值時，鑄坯在冷卻過程中會產生白點缺陷，白點處的氫原子聚集會產生巨大的內應力，導致裂紋的產生。氮氣在鋼中會形成氮化物，如AlN等，這些氮化物在晶界處析出，會降低晶界的強度，增加裂紋的敏感性。氧氣在鋼中會形成氧化物夾雜，這些夾雜會降低鋼的質量，促進表面裂紋的產生。通過控制鋼水的熔煉和澆注過程，如采用真空處理、吹氬攪拌等技術，可以降低鋼水中氣體的含量，減少表面裂紋的產生。3.3表面裂紋的擴展行為3.3.1軋制過程中的擴展在連鑄坯的后續加工中，軋制是重要的環節，而表面裂紋在軋制過程中的擴展行為對最終產品質量有著關鍵影響。通過有限元模擬和實驗研究，能深入了解其擴展規律。利用有限元軟件，如ABAQUS，建立連鑄坯軋制過程的模型。在模型中，考慮軋制力、摩擦力、溫度場等因素對表面裂紋擴展的影響。設置不同的軋制工藝參數，如軋制道次、壓下量、軋制速度等，模擬表面裂紋在不同工況下的擴展情況。研究發現，隨著軋制道次的增加，表面裂紋的擴展長度和深度呈現不同程度的變化。在軋制初期，裂紋深度減小明顯，這是因為在軋制力的作用下，裂紋尖端的材料發生塑性變形，使裂紋逐漸被壓實。隨著軋制的進行，裂紋深度減小的幅度逐漸減小，而裂紋寬度則逐漸增加，這是由于軋制過程中的橫向延展導致裂紋兩側材料被拉開。在實驗室中，對帶有表面裂紋的連鑄坯進行熱軋實驗。在鑄坯表面預制“V”形裂紋，模擬實際生產中的表面裂紋情況。通過控制軋制工藝參數，觀察裂紋在軋制過程中的擴展情況，并與有限元模擬結果進行對比驗證。實驗結果表明，寬度較小的裂紋在軋制過程中可能出現表面貼合的現象，但如果裂紋不能完全愈合，仍會對產品表面質量造成潛在影響。而寬度較大的裂紋在軋制過程中，兩側逐漸展開，最終暴露到軋材表面，影響軋材的表面質量。軋制過程中，軋制力是影響表面裂紋擴展的關鍵因素。軋制力越大，裂紋擴展的驅動力越大，裂紋越容易擴展。摩擦力也會對裂紋擴展產生影響，它會改變裂紋尖端的應力分布，從而影響裂紋的擴展方向和速率。溫度場的變化會影響材料的力學性能，在高溫下，材料的塑性較好，裂紋擴展阻力相對較小。3.3.2環境因素的影響連鑄坯表面裂紋的擴展不僅受軋制過程的影響，還與環境因素密切相關，其中溫度和氧化是兩個重要的環境因素。溫度對表面裂紋擴展的影響較為復雜。在高溫環境下，材料的原子活動能力增強，位錯運動更加容易，這使得材料的塑性變形能力提高。對于表面裂紋而言，高溫會使裂紋尖端的應力集中得到一定程度的緩解，因為材料在高溫下更容易發生塑性變形來協調應力。在一定溫度范圍內，隨著溫度的升高，表面裂紋的擴展速率可能會降低。當溫度超過某一臨界值時，可能會發生一些不利于裂紋擴展的現象，如晶界弱化、組織轉變等，這些因素可能會導致裂紋擴展速率反而增加。在高溫下，鋼中的一些合金元素可能會發生擴散和偏析，影響材料的力學性能，進而影響裂紋的擴展。氧化是另一個重要的環境因素。連鑄坯在生產和存放過程中，表面會與空氣中的氧氣發生氧化反應，形成氧化層。氧化層的存在會對表面裂紋的擴展產生多方面的影響。一方面，氧化層的硬度和脆性通常比基體材料高，這會使裂紋尖端的應力集中更加嚴重，從而促進裂紋的擴展。氧化層與基體材料的結合力可能較弱，在應力作用下，氧化層容易從基體上剝落，導致裂紋擴展路徑發生改變。另一方面，氧化層的形成也可能會在一定程度上阻礙裂紋的擴展。當氧化層較厚時，它可以起到一定的屏障作用，阻止裂紋向更深的部位擴展。氧化層的存在還可能會改變裂紋尖端的應力狀態，從而影響裂紋的擴展行為。在一些情況下，氧化層的生長速度和厚度分布不均勻，會導致裂紋擴展的不均勻性增加。四、中間裂紋與表面裂紋的對比分析4.1裂紋特征對比中間裂紋與表面裂紋在形態、分布位置和走向等方面存在明顯差異，這些差異反映了它們不同的形成機理和影響因素。中間裂紋通常呈線性或鋸齒狀，沿著鑄坯的凝固方向，在鑄坯內部的柱狀晶界處擴展。其形態較為規則，寬度相對較窄，長度則根據裂紋的擴展程度而定，一般在幾毫米到幾十毫米之間。通過對連鑄坯的低倍檢驗和金相分析可以觀察到，中間裂紋在鑄坯橫截面上呈現出與柱狀晶走向一致的形態，有時會呈現出分支狀或“河流”狀分布。表面裂紋的形態則較為多樣，常見的有縱向裂紋、橫向裂紋、角部裂紋等。縱向裂紋沿著鑄坯的拉坯方向延伸，長度較長，寬度較窄，一般在鑄坯的寬面或窄面出現；橫向裂紋垂直于拉坯方向，通常較短，寬度相對較大，多發生在鑄坯的表面振痕處或結晶器角部；角部裂紋則出現在鑄坯的角部，呈折線狀，對鑄坯的角部質量影響較大。在實際生產中，通過對鑄坯表面的直接觀察和無損檢測，可以發現表面裂紋的形態各異，且受到多種因素的影響，如結晶器振動、潤滑條件等。中間裂紋主要分布在鑄坯的內部，位于凝固前沿的固液交界面附近，距離鑄坯表面有一定深度。在鑄坯的橫截面上，中間裂紋通常出現在鑄坯厚度的1/4-3/4區域內，尤其是在柱狀晶發達的區域更容易出現。對鑄坯進行解剖分析，可以清晰地看到中間裂紋在鑄坯內部的分布位置。表面裂紋則分布在鑄坯的表面，直接暴露在外界環境中?？v向裂紋和橫向裂紋主要分布在鑄坯的寬面和窄面，角部裂紋則集中在鑄坯的四個角部。在連鑄過程中，通過對鑄坯表面的實時監測和檢查，可以及時發現表面裂紋的存在及其分布情況。中間裂紋的走向主要沿著柱狀晶界，與鑄坯的凝固方向一致。這是因為柱狀晶界處存在成分偏析和應力集中，使得裂紋更容易在這些區域萌生和擴展。在凝固過程中，熱應力、鼓肚力等因素會導致柱狀晶界處的應力狀態發生變化，從而促使中間裂紋沿著柱狀晶界擴展。表面裂紋的走向則與產生裂紋的原因密切相關?？v向裂紋沿著拉坯方向延伸，這是由于鑄坯在拉坯過程中受到的摩擦力、鋼水靜壓力等因素在拉坯方向上的作用較為顯著；橫向裂紋垂直于拉坯方向，主要是由于結晶器振動、保護渣潤滑不良等因素導致鑄坯表面在垂直于拉坯方向上產生應力集中；角部裂紋的走向則與鑄坯角部的傳熱和受力特點有關，角部的二維傳熱導致其凝固和收縮不均勻，從而產生特定走向的裂紋。4.2影響因素的異同連鑄坯中間裂紋和表面裂紋在形成過程中，受到多種因素的影響，這些因素既有相同點，也有不同點。深入分析這些影響因素的異同，對于針對性地控制裂紋的產生具有重要意義。4.2.1相同點工藝參數：鋼水成分、澆鑄溫度、拉坯速度和二次冷卻等工藝參數對中間裂紋和表面裂紋的形成都有顯著影響。鋼水中的S、P、C等元素含量會影響鋼的高溫力學性能和凝固特性，從而增加裂紋的敏感性。在包晶鋼中，碳含量在一定范圍內會導致鑄坯線收縮增大，增加中間裂紋和表面裂紋的產生幾率。澆鑄溫度過高或過低都會對裂紋的形成產生不利影響。澆鑄溫度過高，會使鋼水的凝固速度減慢，坯殼厚度不均勻，增加表面裂紋的敏感性；同時，過高的澆鑄溫度還會使凝固末端位置下移，鑄坯在凝固過程中受到的應力作用時間延長，增加中間裂紋的產生可能性。拉坯速度過快會導致坯殼受到的摩擦力和鋼水靜壓力增大，容易引發表面裂紋；拉坯速度的頻繁波動也會使鑄坯內部應力分布不均勻，增加中間裂紋的產生幾率。二次冷卻強度過大或過小都會導致鑄坯冷卻不均勻，產生熱應力，從而引發裂紋。冷卻強度過大，鑄坯表面冷卻速度過快，會導致鑄坯內部產生較大的熱應力，容易引發中間裂紋和表面裂紋；冷卻強度過小，鑄坯冷卻不足，坯殼生長緩慢，在鋼水靜壓力的作用下，鑄坯容易發生鼓肚變形，從而導致中間裂紋的產生。設備因素：結晶器冷卻不均勻、輥縫對弧精度和支撐輥變形等設備因素對中間裂紋和表面裂紋的形成也有重要影響。結晶器冷卻不均勻會使鑄坯在結晶器內的凝固坯殼厚度不一致，從而產生熱應力，增加裂紋的敏感性。結晶器角部冷卻不均勻容易導致角部裂紋，而角部裂紋既可能是表面裂紋，也可能發展為中間裂紋。輥縫對弧精度不準確會使鑄坯在通過輥縫時受到不均勻的壓力和摩擦力，導致鑄坯表面變形和內部應力分布不均勻，從而引發裂紋。輥縫開口度過大或過小都會對鑄坯質量產生不利影響，增加中間裂紋和表面裂紋的產生幾率。支撐輥變形會使鑄坯在運行過程中受到不均勻的支撐力，導致鑄坯表面局部應力集中，容易引發裂紋。支撐輥的磨損、疲勞和熱變形等都可能導致支撐輥變形，從而影響鑄坯質量。4.2.2不同點工藝參數：雖然拉速、過熱度和二冷制度等工藝參數對中間裂紋和表面裂紋都有影響，但影響的具體方式和程度有所不同。拉速對中間裂紋的影響主要體現在液芯長度和鼓肚變形方面。拉速過高，液芯長度增加，鼓肚變形增大，容易導致中間裂紋的產生；而拉速對表面裂紋的影響主要體現在坯殼厚度和摩擦力方面。拉速過快，坯殼厚度變薄，摩擦力增大，容易引發表面裂紋。過熱度對中間裂紋的影響主要是通過影響凝固組織和凝固末端位置來實現的。過熱度偏高，柱狀晶易于生長，凝固末端位置下移，增加中間裂紋的產生可能性；而過熱度對表面裂紋的影響主要是通過影響初生坯殼的質量來實現的。過熱度過高，高溫流動鋼水會侵蝕掉坯殼厚度，導致初生坯殼變薄，熱應力大，容易產生表面裂紋。二冷制度對中間裂紋的影響主要是通過控制鑄坯的冷卻速度和冷卻均勻性來實現的。冷卻不均勻會導致熱應力集中，增加中間裂紋的產生幾率；而二冷制度對表面裂紋的影響主要是通過影響鑄坯表面的溫度分布和應力狀態來實現的。冷卻強度過大，鑄坯表面溫度過低，在后續的矯直過程中，鑄坯的塑性降低，增加表面裂紋的產生風險。設備因素：結晶器振動和潤滑等設備因素主要影響表面裂紋的形成，而對中間裂紋的影響相對較小。結晶器振動參數不合理，如振動頻率和振幅不合適，會使鑄坯表面受到較大的沖擊力和摩擦力，導致表面振痕加深，應力集中加劇，從而增加表面裂紋的產生幾率。負滑脫時間過長，會使鑄坯表面與結晶器壁之間的摩擦力增大，容易導致表面裂紋的產生。結晶器潤滑不良會導致鑄坯與結晶器壁之間的摩擦力增大，從而產生較大的拉伸應力，容易引發表面裂紋。保護渣的黏度、熔點、析晶性能等都會影響其在結晶器壁和鑄坯之間的潤滑作用，進而影響表面裂紋的產生。4.3擴展機制的差異中間裂紋和表面裂紋在擴展機制上存在顯著差異，這些差異主要體現在擴展驅動力、擴展路徑和擴展速率等方面。在擴展驅動力方面，中間裂紋主要受到熱應力、鼓肚力和矯直力等內部應力的驅動。在連鑄坯凝固過程中，熱應力源于鑄坯內外溫度差，導致鑄坯內部產生不均勻的熱脹冷縮，從而形成熱應力。鼓肚力則是由于鋼水靜壓力作用于坯殼，使坯殼向外膨脹產生的應力。矯直力是鑄坯在矯直過程中因彎曲變形而產生的應力。這些應力在鑄坯內部相互疊加，當超過鑄坯的高溫強度時，就會驅動中間裂紋擴展。在二次冷卻區，鑄坯表面冷卻速度快，內部冷卻速度慢，產生的熱應力會促使中間裂紋沿著柱狀晶界擴展。表面裂紋的擴展驅動力主要來自于軋制力、摩擦力以及環境因素。在軋制過程中，軋制力使鑄坯發生塑性變形，裂紋尖端的應力集中增大，從而驅動裂紋擴展。摩擦力在鑄坯與軋輥接觸時產生，它會改變裂紋尖端的應力分布，影響裂紋的擴展方向和速率。環境因素如溫度和氧化也會對表面裂紋的擴展產生影響。高溫會使材料的塑性增加，裂紋擴展阻力減??；氧化則會導致裂紋尖端的材料性能發生變化，增加裂紋的擴展驅動力。在熱軋過程中，高溫使得裂紋尖端的材料更容易發生塑性變形，從而促進裂紋的擴展。在擴展路徑方面，中間裂紋通常沿著柱狀晶界擴展。柱狀晶在凝固過程中呈定向生長，晶界處存在成分偏析和應力集中，這些區域的強度相對較低，容易成為裂紋擴展的路徑。在凝固過程中，熱應力、鼓肚力等因素會導致柱狀晶界處的應力狀態發生變化，促使中間裂紋沿著柱狀晶界向鑄坯內部擴展。在金相分析中，可以觀察到中間裂紋沿著柱狀晶界呈“之”字形或直線狀擴展。表面裂紋的擴展路徑則較為復雜，受到多種因素的影響。在軋制過程中，表面裂紋會隨著軋制變形而擴展，其擴展方向與軋制方向密切相關?？v向裂紋在軋制過程中會沿著軋制方向延伸，橫向裂紋則會在軋制力的作用下向兩側擴展。表面裂紋還可能受到鑄坯表面缺陷、夾雜物等因素的影響，導致裂紋擴展路徑發生改變。當鑄坯表面存在振痕或夾雜物時，裂紋容易在這些部位萌生并擴展，其擴展路徑會受到振痕或夾雜物的形狀和分布的影響。在擴展速率方面，中間裂紋的擴展速率相對較慢。這是因為中間裂紋在鑄坯內部擴展，受到鑄坯內部組織和應力分布的制約。鑄坯內部的柱狀晶結構和晶界的存在，使得裂紋在擴展過程中需要克服較大的阻力，從而減緩了裂紋的擴展速率。同時，中間裂紋的擴展還受到凝固過程中鋼水的補充和凝固收縮的影響，這些因素也會對裂紋的擴展速率產生一定的抑制作用。表面裂紋在軋制過程中的擴展速率相對較快。軋制過程中的軋制力和摩擦力為裂紋的擴展提供了較大的驅動力，使得裂紋能夠快速擴展。在熱軋過程中，軋制速度和壓下量等參數會影響表面裂紋的擴展速率。軋制速度越快、壓下量越大，裂紋的擴展速率就越快。表面裂紋暴露在鑄坯表面，受到環境因素的影響較大，如溫度和氧化等，這些因素也會在一定程度上加快裂紋的擴展速率。五、案例分析5.1某鋼廠連鑄坯裂紋案例5.1.1生產工藝與設備情況某鋼廠擁有先進的連鑄生產線，其連鑄機為弧形連鑄機，具備高效穩定的生產能力。連鑄機的基本弧半徑為8m，這一設計使得鑄坯在彎曲和矯直過程中能夠保持較好的形狀穩定性，減少因變形不當而產生的應力集中。結晶器長度為900mm，為鋼水的初始凝固提供了充足的空間和良好的冷卻條件，有利于控制初生坯殼的質量。該鋼廠連鑄生產工藝涵蓋多個關鍵環節，各環節相互配合，共同影響著連鑄坯的質量。鋼水經精煉處理后，通過大包回轉臺將鋼包中的鋼水注入中間包。在這個過程中，鋼水的純凈度得到進一步提高，減少了夾雜物和氣體的含量，為后續的連鑄過程奠定了良好的基礎。中間包起到穩定鋼水溫度和流量的作用，確保鋼水能夠均勻、穩定地進入結晶器。結晶器是連鑄過程的核心部件，鋼水在結晶器內迅速冷卻凝固，形成初生坯殼。結晶器采用銅板材質，具有良好的導熱性能，能夠有效地將鋼水的熱量傳遞出去，促進坯殼的生長。結晶器振動采用液壓伺服控制振動方式，這種振動方式能夠精確控制振動參數，如振動頻率、振幅和負滑脫時間等，從而改善鑄坯表面質量，減少表面裂紋的產生。在實際生產中，振動頻率一般控制在150-200次/min，振幅為3-5mm，負滑脫時間為0.3-0.5s。鑄坯離開結晶器后，進入二次冷卻區。二次冷卻采用氣水噴霧冷卻方式，通過調節水和空氣的比例，實現對鑄坯冷卻強度的精確控制。二冷區各段的比水量根據鑄坯的材質、斷面尺寸和拉速等因素進行合理分配，以確保鑄坯均勻冷卻，避免因冷卻不均勻而產生熱應力和裂紋。在生產低碳鋼時，二冷區前段的比水量一般控制在1.0-1.2L/kg，后段的比水量控制在0.8-1.0L/kg。鑄坯在連鑄機內經過彎曲、矯直等工序后，最終被切割成一定長度的連鑄坯。彎曲矯直采用多點彎曲和多點矯直的方式，能夠有效地減小鑄坯在彎曲和矯直過程中的應力，降低裂紋產生的風險。在彎曲矯直過程中，鑄坯的溫度、彎曲半徑和矯直力等參數都需要嚴格控制，以確保鑄坯的質量。5.1.2裂紋檢測與分析在該鋼廠的生產過程中，質檢部門通過多種檢測手段對連鑄坯進行全面檢測，以確保及時發現裂紋缺陷。表面裂紋主要通過人工目視檢查和表面探傷設備進行檢測。人工目視檢查時，經驗豐富的質檢人員憑借專業知識和敏銳的觀察力，仔細檢查鑄坯表面是否存在明顯的裂紋。表面探傷設備則采用渦流探傷、磁粉探傷等技術，能夠檢測出鑄坯表面微小的裂紋，提高檢測的準確性和可靠性。內部裂紋的檢測主要依靠超聲波探傷儀，利用超聲波在鑄坯內部傳播時的反射和折射特性，來檢測鑄坯內部是否存在裂紋等缺陷。通過檢測，發現部分連鑄坯存在中間裂紋和表面裂紋。中間裂紋主要分布在鑄坯厚度的1/4-3/4區域，呈線性或鋸齒狀，沿著柱狀晶界擴展。在一些低碳鋼連鑄坯中，中間裂紋長度可達20-30mm，寬度約為0.1-0.3mm。表面裂紋形態多樣，常見的有縱向裂紋、橫向裂紋和角部裂紋。縱向裂紋沿著拉坯方向延伸，長度較長，一般在50-100mm，寬度較窄，約為0.05-0.2mm；橫向裂紋垂直于拉坯方向，長度較短，多在10-30mm，寬度相對較大，約為0.2-0.5mm；角部裂紋出現在鑄坯的角部，呈折線狀，對鑄坯的角部質量影響較大。對裂紋的嚴重程度進行評估時，考慮裂紋的長度、寬度、深度以及分布密度等因素。對于長度較長、寬度較大或深度較深的裂紋，以及裂紋分布密度較高的鑄坯，其質量問題較為嚴重，可能會影響后續的加工和使用性能。在評估過程中，采用量化的指標來描述裂紋的嚴重程度，如裂紋長度與鑄坯長度的比值、裂紋寬度與鑄坯厚度的比值等，以便對不同鑄坯的裂紋情況進行比較和分析。5.1.3原因排查與改進措施針對檢測出的裂紋問題，技術人員深入排查原因。通過對生產數據的詳細分析，發現工藝參數不合理是導致裂紋產生的重要原因之一。拉速波動較大，在部分爐次中，拉速從正常的1.2m/min波動到1.5m/min，導致坯殼生長不均勻，鑄坯內部應力增加，從而引發裂紋。鋼水過熱度偏高，部分爐次的過熱度達到40℃以上，使得凝固前沿柱狀晶生長發達，增加了中間裂紋的敏感性。二冷制度不合理，二冷區各段冷卻不均勻，導致鑄坯表面溫度差異較大，產生熱應力，進而引發表面裂紋。設備方面也存在一些問題。結晶器冷卻不均勻，由于結晶器銅板局部磨損，導致冷卻水流分布不均，使得鑄坯在結晶器內的凝固坯殼厚度不一致，在坯殼薄弱處容易產生裂紋。輥縫對弧精度不準確，部分支撐輥的輥縫偏差超過允許范圍，鑄坯在通過輥縫時受到不均勻的壓力和摩擦力，導致鑄坯表面變形和內部應力分布不均勻，增加了裂紋產生的幾率。為解決裂紋問題，該鋼廠采取了一系列改進措施。在工藝參數優化方面，穩定拉速，將拉速控制在1.2±0.1m/min的范圍內，減少拉速波動對鑄坯質量的影響。降低鋼水過熱度，將過熱度控制在20-30℃之間，改善凝固組織，減少柱狀晶的生長。優化二冷制度，根據鑄坯的材質、斷面尺寸和拉速等因素，重新調整二冷區各段的比水