摘要：连铸坯皮下裂纹是影响钢铁产品质量的关键缺陷之一，因其隐蔽性强，在后续轧制过程中极易导致废品，造成重大经济损失。本文深入分析了皮下裂纹的形成机理，重点探讨了二次冷却区冷却机制、连铸浊环水水质、结晶器足辊对弧精度、二冷喷嘴状态以及浇注过热度和拉速匹配等因素对皮下裂纹产生的影响。结合生产实践，通过系统性的工艺及设备改进，制定了包括严格控制水质指标，精确控制足辊对弧偏差，优化过热度和拉速工艺参数在内的综合控制措施。

关键词： 方坯连铸；皮下裂纹；二次冷却；水质控制；对弧精度；喷嘴状态

1.前言

连续铸造技术作为现代钢铁工业的核心流程之一，其生产的连铸坯质量直接决定了后续轧制、锻造乃至最终成品的性能与可靠性。随着下游用户对钢材质量要求的日益苛刻，以及红送热装、直接轧制等高效节能工艺的普及，对连铸坯的内部质量提出了近乎“零缺陷”的严苛要求。在众多连铸缺陷中，裂纹缺陷因其普遍性和危害性尤为突出。业内统计数据显示，裂纹缺陷在连铸坯所有缺陷类别中的占比超过50%，是导致产品质量降级乃至报废的主要原因。

2.皮下裂纹状态分析及问题界定

2.1 设备与生产概况

研究对象为某钢厂 1997 年引进的四机四流大方坯弧形连铸机。该连铸机核心参数如下：弧形半径（R）为 12 米；可浇注断面尺寸包括 200×200mm 、 240×240mm 、 280×320mm 等多种规格，以适应不同产品需求；拉坯速度范围宽广，介于 至 4.0m/min 之间，提供了灵活的工艺调整空间；其冷却系统采用组合式设计，结晶器足辊段采用高压喷水冷却，以确保初始坯壳快速均匀生长，而活动段和固定段则采用气雾冷却方式，实现对铸坯的柔和且均匀的冷却控制。该连铸机具备多钢种生产能力，涵盖优质碳素结构钢（碳结钢）、合金结构钢（合结钢）、轴承钢、不锈钢、弹簧钢等高附加值产品，是其生产线上的核心装备。

2.2 缺陷宏观形貌与特征

通过对生产下线连铸坯的系统取样，并进行标准热酸洗低倍检验，明确了皮下裂纹的具体特征：

位置集中性： 裂纹缺陷高度集中于铸坯的四个角部区域，尤其是距角部一定距离的皮下位置，表现出明显的规律性。

形态与尺寸： 在低倍试样上，裂纹通常表现为断续的、长短不一的线状缺陷，长度范围一般在 5 毫米至 30 毫米之间，深度多在表皮以下3 毫米至10 毫米的范围内。部分严重区域的裂纹有相互连接、向内部延伸的趋势。

隐蔽性： 这是皮下裂纹最显著的特征。裂纹完全隐藏在铸坯的正常表皮之下，表面无任何肉眼可见的开口或痕迹（如图1、图2 所示）。这使得常规的在线表面检测手段完全失效。

检测挑战： 目前钢厂采用的涡流探伤、RD 探伤（一种表面缺陷检测方法）等技术均无法可靠地检测出此类皮下缺陷。唯一的检出方法是对连铸坯或后续连轧材进行取样、加工并做低倍酸浸检验，通过人工目视进行判断。这种离线、破坏性的检测方式严重滞后，无法用于在线质量控制和指导生产调整。

2.3 问题钢种界定

并非所有钢种对皮下裂纹都同样敏感。通过长期的质量数据跟踪与分析，发现该缺陷在 FAS3420RH、20CrMnTiH、TL421 等中低碳调质钢、渗碳齿轮钢中尤为高发。这类钢种通常对裂纹敏感性较高，其凝固特性、高温力学性能与生产工艺的匹配性是导致缺陷产生的内在因素。因此，本研究将重点针对这些敏感钢种展开攻关。

3.铸坯皮下裂纹产生机理深入分析

连铸坯的凝固是一个复杂的物理冶金过程，坯壳在从弯月面直到切割点的全程中，始终承受着热应力、组织应力和机械应力的综合作用。皮下裂纹的形成，正是这些应力在坯壳薄弱处（如晶界）超过材料在该温度下的极限强度或延塑性的结果。

3.1 热应力

热应力是连铸坯裂纹产生的最主要驱动力之一。它源于铸坯在凝固和冷却过程中，其表面与内部、不同区域之间存在巨大的温度梯度和不均匀收缩。

形成原因： 在二次冷却区，冷水或气雾直接喷射到高温坯壳表面，使其急剧冷却收缩。而此时，铸坯芯部仍为液态或糊状，对外壳的收缩产生制约作用，从而在坯壳内部产生拉应力。特别是在角部区域，由于其二维散热，冷却速度本应更快，但如果冷却不均（如喷嘴堵塞、对弧不准），反而容易造成角部局部回温（Reheating），回温区域膨胀，而相邻冷却较强的区域限制其膨胀，从而在回温区附近产生巨大的热拉应力。

影响因素： 热应力大小主要取决于钢种的线收缩系数、固液两相区的宽度（温度区间）、以及最关键的二冷区冷却强度及其均匀性。两相区越宽，坯壳的高温强度越低，越容易产生裂纹。

3.2 组织应力

组织应力，也称相变应力，源于铸坯在连续冷却过程中发生的固态相变。

形成原因： 钢在冷却过程中会发生奥氏体向铁素体、珠光体、贝氏体等组织的转变，不同组织的比容（密度）不同。例如，γ-Fe（奥氏体）向α-Fe（铁素体）转变时，体积会膨胀。如果铸坯表面和心部在不同时间发生相变，或相变程度不同，就会因体积变化的不一致性而产生内应力。

与裂纹的关系： 组织应力通常与热应力叠加，共同作用于坯壳。对于亚包晶钢等有包晶反应的钢种，凝固过程中发生的 -Fe 转变伴随有较大的体积收缩，会显著增加裂纹敏感性。控制冷却工艺，减小铸坯内外温差，可以减缓相变进程，降低组织应力。

4.二次冷却机制对皮下裂纹的影响与控制实践

二次冷却是连铸过程的核心环节，也是控制裂纹缺陷最有效、最灵活的调控区域。本章将结合生产数据，详细阐述如何通过优化二冷相关因素来控制皮下裂纹。

4.1 连铸浊环水水质对皮下裂纹的影响与控制

长期以来，水质管理在连铸生产中未得到足够重视，但其对冷却效果和设备状态的影响是基础性和全局性的。

影响机理： 连铸二冷使用的浊环水在反复循环过程中，会富集氧化铁皮、润滑油脂、水处理药剂残留物以及因蒸发浓缩而增加的盐分。这直接导致水质恶化，具体体现在电导率、硬度和悬浮物含量升高。高电导率和硬度易在喷嘴内部及输水管路中结垢（Scale Formation），高悬浮物则直接堵塞喷嘴（Nozzle Clogging）。喷嘴的堵塞和流量下降不是均匀发生的，往往具有随机性，这直接破坏了二冷水的均匀分布。对于角部喷嘴，由于其结构特性本就更容易发生堵塞，导致角部冷却强度显著弱于面部，从而使角部温度异常升高，热应力剧增，诱发皮下裂纹。

控制实践与数据支撑： 认识到水质的关键作用后，该厂制定了严于国家标准的内控警戒线（见表1）。通过加大新水补加量、优化水处理药剂投加、加强过滤系统维护、定期清理水箱淤泥等措施，将水质稳定控制在：电导率≤1820μS/cm，HT 硬度 ⩽400mg/L ，悬浮物≤25mg/L 。并严格执行每班取样化验制度，一旦超标立即预警并更换水箱，确保冷却介质的高品质。此项措施的实施，是从源头上保障冷却均匀性的前提。数据显示，仅通过水质精细化管控，就使皮下裂纹发生率绝对值下降了约 12%（从30%降至18%），效果极其显著。

4.2 连铸结晶器足辊对弧精度对皮下裂纹的影响与控制结晶器足辊是承接和引导初生坯壳的第一组支撑辊，其定位精度至关重要。

影响机理： 足辊的对弧偏差（Misalignment）意味着从结晶器出来的坯壳其运行轨迹不再是设计的光滑弧线，而是会受到足辊的强制挤压或拉伸。角部区域是应力最集中的地方，微小的对弧偏差就足以在此处产生巨大的机械应力，在坯壳高温强度最低的固液界面前沿引发微裂纹。这些微裂纹在后续的二冷区和矫直区，会因热应力的叠加而进一步扩展，形成宏观的皮下裂纹。

控制实践与数据支撑： 为解决此问题，该厂技术团队设计制作了高精度的专用对弧样板，改变了以往凭经验调整的做法。规定所有结晶器下线维修后、上线使用前，必须使用样板对前后左右四个方向的对弧精度进行精密测量和调整，确保其对弧偏差严格控制在 0.05 毫米以内（测量数据示例见表 2）。这项措施极大地改善了铸坯的初始凝固环境，减少了机械应力的不当引入。实践表明，提高对弧精度后，皮下裂纹发生率再次下降了约 15%，同时铸坯的坯形尺寸稳定性也得到大幅改善，为后续轧制提供了更优质的料坯。

4.3 二冷喷嘴状态对皮下裂纹的影响与控制

喷嘴是执行冷却操作的最终执行单元，其状态直接决定了冷却水分布到铸坯表面的形态、流量和均匀性。

影响机理： 二冷喷嘴长期在高温、高湿、多尘的环境中工作，不可避免地会出现堵塞、磨损、变形或安装角度偏移等问题。一个堵塞的喷嘴意味着该区域冷却完全失效，局部温度急剧回升。一个磨损或角度偏移的喷嘴则会导致冷却水喷射形貌（Spray Pattern）改变，水雾不能均匀覆盖预设的铸坯表面，造成横向和纵向的冷却不均。这种不均冷却同样是产生巨大热应力的根源。

控制实践与数据支撑： 该厂将喷嘴检查维护工作制度化、流程化。规定每完成一个浇次（Sequence），必须对全部二冷喷嘴进行一次离线检查、清洗和校验。对于堵塞严重或损坏的喷嘴坚决报废更换，确保上线喷嘴的完好率始终保持在 95% 以上（维护记录示例见表3）。通过红外测温仪监测发现，实施严格的喷嘴管理后，铸坯角部与面部的温差由措施前的45℃以上缩小至 18℃左右，冷却均匀性得到质的改善。相应地，皮下裂纹的发生率又实现了约 15%的下降。

4.4 连铸过热度及拉速匹配对皮下裂纹的影响与控制工艺参数的调整是控制裂纹的“软件”部分，需要与“硬件”（设备、水质）改善相

过热度的影响： 钢水过热度是指中间包钢水温度与其液相线温度之差。过热度越高，意味着钢水带入凝固过程的热量越多，出结晶器下口的坯壳会更薄，高温强度更低。同时，高过热度会促进粗大柱状晶的生长，削弱等轴晶区。柱状晶交界处是薄弱地带，在拉应力作用下极易产生晶间裂纹。

拉速的影响： 拉速直接决定了凝固坯壳的生长速度和冶金长度。提高拉速会使液芯延长，固液两相区变长，坯壳在高温区停留时间延长，塑性变差，裂纹敏感性增加。同时，拉速加快也意味着每段坯壳通过二冷区的时间变短，单位时间内接受的水量减少，但综合效应复杂，需与过热度匹配。

控制实践与数据支撑： 通过对敏感钢种的大量实践数据分析和工艺试验，该厂确定了最优的工艺窗口：将中包过热度稳定控制在 的较低区间，并与之匹配采用0.9 m/min的稳定拉速进行浇注（具体参数控制情况见图4 和表4）。低过热度有利于形成较厚的均匀坯壳和发达的等轴晶，低拉速则缩短了液芯，减少了铸坯在脆性温度区的停留时间。两者合理匹配，为生产高质量铸坯提供了良好的内部条件，从本质上降低了产生裂纹的倾向。操作上要求冶炼工序严格控制终点温度和精炼时间，为连铸提供低温、稳定的钢水；连铸工序则通过加强大包、中包的保温措施，以及采用黑体空腔技术等先进测温手段，实现过热度的精准控制和稳定拉速的维持。

5.综合措施实施效果与数据分析

理论研究与单项措施的改进最终需要通过生产实践来检验其综合效果。自2020 年4 月起，该厂将上述水质管控、足辊对弧精度控制、喷嘴状态管理、过热度与拉速优化这四项核心措施系统性地整合为一套完整的操作规程，并在所有流次、特别是皮下裂纹敏感钢种的生产中严格执行。

综上所述，通过一系列针对性的技术和管理措施，成功解决了大方坯连铸生产中的皮下裂纹难题，取得了显著的技术效益和经济效益。

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作者简介：赵禹舒，出生年月：1991 年11 月 14 日，性别：男，籍贯：辽宁省法库县，民族：汉族，学历：本科 ，职称：工程师， 研究方向：冶炼