表面裂纹
表面裂纹是最重要的一类连铸坯缺陷。轻微的表面裂纹需要清理，否则造成轧材缺陷；严重的可能引起漏钢、铸坯断裂等事故。根据表面裂纹的走向、位置不同一般分为表面纵裂、角纵裂（或称偏离角纵裂）、表面横裂、角横裂、星状裂纹等。分析裂纹一般从内因和外因两方面着手。这里外因是指铸坯的外部约束条件，包括强制变形、压力、摩擦力等。内因指铸坯的收缩、塑性及影响塑性的缺陷。
1. 表面纵裂、粘结
表面纵裂见于板坯宽面中部或接近宽度1/4处的大范围内。长度从几十毫米到通坯长不等。这是一种典型的表面缺陷，一般认为是在结晶器中产生。粘结指局部坯壳与结晶器壁粘在一起(不脱模)，继续拉坯时坯壳在粘连处下部断裂。初生坯壳在弯月面形成后，被钢水静压推向结晶器壁，隔一层渣膜贴在结晶器壁上。随着结晶器对坯壳的冷却，坯壳不断长厚并降温收缩。这种收缩或收缩的趋势会受到紧贴着的结晶器壁的阻碍，既摩擦力（图3a）。这种摩擦力传递到坯壳内部形成的剪应力或拉应力是造成纵裂纹的外部条件。初生坯壳收缩量越大，纵裂的趋势就越大。在纵的方向上结晶器振动速度与坯壳的速度差(vm-vc)也会产生摩擦力（图3b）。有液渣膜存在时，表现为牛顿摩擦： τf=η(vm-vc)/δ （3－）
这里，τf是摩擦剪应力；η是液渣粘度； vm为结晶器振动速度；vc为坯壳运动速度（拉坯速度）；δ是液渣膜厚度。
（a） (b)
图 3 坯壳在结晶器中受力示意图
纵裂纹产生的另一个机制与热应力引起弯曲现象类似。初生坯壳的外表层最先凝固、最先经历剧烈的收缩、温度比内层低。当内层经历剧烈的收缩的时候，外表层已不太收缩了；但此时外表层温度低刚性大，制约了内层的收缩；在内层产生拉应力。按这种机制产生的纵裂经常不暴露到铸坯表面，而是在皮下。冷坯表面一般有一道对应的凹陷。
坯壳内部的剪应力和正应力对应着应变。当此应变不超过坯壳的临界应变时不会产生裂纹；否则可能产生裂纹。坯壳的临界应变可以理解为裂纹形成的内部条件。这个临界应变往往不是一个完整材料的临界应变，而是含有各种宏观和显微缺陷的初生坯壳的临界应变。振痕、划伤、局部高温、晶界、偏析等都可能决定此临界应变。
以上两种机制描述了初生坯壳内产生纵裂相关应力应变的原理。由此可以找到有效的控制措施。使我们跳出“传热不均－坯壳厚度不均匀－裂纹”的鸡生蛋蛋生鸡怪圈。横向和纵向裂纹的原理是一样的。只不过横向裂纹首先表现出的现象是粘结。所以这里分析的因素对粘结一般是适用的。 了解了纵裂和粘结的机制，我们可以从两个方面分析其影响因素和控制措施。一类是影响坯壳的抗裂纹性的，另一类是外部的约束或影响。以下的影响因素并不都是控制措施。
钢水碳C含量 碳素钢凝固后的包晶相变（图3）大大加剧了坯壳降温过程的收缩，是裂纹的本源。实践表明亚包晶钢裂纹倾向最大。这是因为过包晶钢③的包晶反应是L+δ→γ，有液相参加，液体可补缩。这时的相变收缩可以不体现出坯壳的收缩。亚包晶钢①的包晶反应是δ→γ，没有液相参加，也没有液体可补缩。此时的相变收缩必须由坯壳自身消化，或者整体缩小或者内部形成空洞（裂纹源）。铁碳相图上的亚包晶区C为0.09～0.17%。实际生产中由于其它元素的贡献和较大的冷却速度， C含量在0.08～0.13%的钢种最容易出现裂纹。随着钢铁材料技术的发展，对钢的成分性能要求越来越严格，成分范围越来越小。连铸人很难也不应该因为纵裂来左右钢种的成分设计，只能接受最多是一种利用。
图 3 铁碳相图的包晶区
钢水硫S含量 在凝固过程中S在枝晶间富集，最后形成低熔点的Fe-FeS共晶之前，使晶界非常脆弱。这既是所谓第一脆性区。所以为减少热裂纹，限制S的含量是需要的。在这里连铸工艺与绝大多数钢种性能对S的限制是一致的。但
这并不绝对，硫易切削钢也需连铸生产。锰在高温下可以与硫生成MnS，减少S在晶间的聚集和脆化作用。有时可以用Mn/S反映两元素的作用。
钢水过热度和浸入式水口 高温钢水对坯壳的冲击会在坯壳上形成热点和薄弱点，收缩断裂会优先在此处发生。熔池中的高温钢流是由水口引导的，所以限制钢水过热度和水口中正是必须的，例如中间包过热度控制在15～25℃。 结晶器保护渣 保护渣的基本功能之一就是在结晶器壁和初生坯壳之间形成液渣膜以润滑。为达到好的润滑效果必须保证坯壳处处有液渣膜（不断渣）。保护渣是在钢水表面上熔化后经弯月面渗入结晶器壁和初生坯壳之间的。不断渣需要液面上足够且稳定的液渣层。这既是对保护渣性能的要求更是对操作的要求。人们对于保护渣基本性能参数的研究已很多。提出合用的性能已不成问题，实物性能也可以到达。生产中出现的保护渣问题往往是稳定性方面。性能的稳定依赖于成分和结构稳定、原材料稳定、生产工艺稳定、包装运输稳定。因此这成为选用保护渣的基本要求。
结晶器冷却 一般认为，结晶器弱冷有助于抑制纵裂发生，如冬天水温低纵裂严重。结晶器结构和冷却水参数可能对初生坯壳的冷却强度有影响。但这决不是结晶器设计者和使用者首要考虑的，更基本的因素包括安全可靠、寿命、安装与操作、经济、附加功能（液面检测、漏钢预报、调宽等）。我们选择了铜结晶器的综合优点，也接受了它的某些缺点。如果为减弱冷却强度而的幅度减少水量，势必影响安全和寿命。小的水量改变没什么效果。新的表面涂层或可一试。 结晶器锥度和表面状况 结晶器宽度方向设定有锥度，许多铸机并有在线调节锥度的功能。根据纵裂纹形成的机理，初生坯壳收缩遇到阻碍，如果用窄边铜板抵住坯壳，帮其收缩克服阻碍，会是一种有效控制纵裂纹的措施。用加大宽向锥度方法在一些铸机上取得较好的减少纵裂的效果。如果铸坯断面很宽，窄边的压力很难传递到宽面坯壳中部，此法作用受限。另外，结晶器表面的缺陷除影响均匀传热外，直接的危害是损伤坯壳。特别是弯月面附近的铜板烧蚀、变形会增加摩擦力，形成坯壳缺陷，促成粘结或纵裂产生。须严格执行铜板的检修制度。 结晶器振动 由式（3－）看出，结晶器壁与坯壳的相对速度是决定摩擦力主要因素。采用非正弦振动可以大大降低最大相对速度，减小最大剪应力，从而控制粘结。这在牛顿摩擦的形式下是正确的。生产实际中结晶器振动的主要问题是偏摆和两液压缸同步性。偏摆和不同步使坯壳额外受力、液面波动。这都增加初生坯壳缺陷，成为粘结隐患。须严格保证原设计的偏摆量和同步性限制。 浇铸速度 浇铸速度作为连铸过程的最主要工艺参数，人们会最先想到它会对纵裂和粘结有影响。随拉速的增加，单位时间生成的坯壳表面正比地增加。随拉速的增加，结晶器熔池流动更剧烈，有利于保护渣熔化。综合结果是随拉速的增加，单位时间渣耗量增加，单位表面渣耗量减少渣膜减薄。按上述牛顿摩擦原理，这应使初生坯壳所受摩擦力加大。拉速的提高加剧液面波动，使初生坯壳产生缺陷的可能性增加。这都支持了降低浇铸速度可以减轻纵裂和粘结的说法。
SMS对裂纹敏感的包晶钢种生产有所顾忌。钢厂一定要生产时需要降低浇铸速度，如从5.5降到4.8m/min。也有厂商说包晶钢可以正常生产，也需要将拉速从4.5降到4m/min。各钢厂在大板坯连铸机上为减少包晶钢坯子缺陷下了很大功夫，其基本措施也是降低浇铸速度，如1.5降到1.2m/min。但裂纹问题仍然存在。如果1.5m/min铸速时，包晶钢有较多的问题，那末薄板坯连铸包晶钢的降速可能仅仅是心理安慰。普通大板坯连铸结晶器浇铸包晶钢如果有问题，薄板坯连铸结晶器的漏斗再长也还比平板让坯壳有较大变形，没证据表明长漏斗结晶
器而解决了包晶钢裂纹问题。 漏钢率与拉速?
操作因素 上述的机理表明有缺陷的坯壳和铜壁摩擦力是纵裂与粘结的基本原因。连铸操作无论对于形成完美坯壳或完整渣膜都有决定性影响。如水口偏斜使内部钢水冲击坯壳或外部搭桥，液面不稳产生坯壳缺陷，渣层的人为干扰等。 总之，纵裂和粘结是很综合性的问题，涉及到设备、材料、工艺、操作的各方面。需要采取的技术措施可以归结为各方面都达到设计要求的定性定量标准。 2. 角纵裂
角纵裂也称偏离角纵裂，经常出现在离角顶10～15mm处。在板坯方坯上都有出现。坯壳在结晶器内冷却收缩形成气隙；坯壳的面部受钢水压力作用仍旧贴在铜壁上（图3）。从散热条件相对较好的角顶温度较低而仍与铜壁接触的面部温度也低。从角顶到面部一定有某局部温度较高，坯壳最薄弱。在另一侧坯壳的拉扯（张应力）作用下伸长（变得更薄弱），张应力得不到松弛时会进一步产生裂纹。此一侧坯壳的伸长变形使另一侧坯壳丧失了同时产生变形和裂纹的条件；所以角纵裂不会在一个角顶的两侧同时出现。
图 3－角纵裂的发生机理
根据以上对于角纵裂的理解，合理的结晶器锥度成为控制这种缺陷的主要措施。这是一种普遍接受的观点。生产实际中的问题往往比单纯的锥度设计或设定复杂得多。例如板坯结晶器8mm的宽向收缩量经过一个浇次后少了二三毫米，这不能归咎于磨损。方坯结晶器的锥度设计是做了精细工作的，有多锥度、抛物线锥度以及各种内形变化。与锥度设计相比铜管的安装定位、结晶器和振动台的水平或扭转偏差对坯壳与铜壁的接触状态影响更大更直接。合理的结晶器锥度只有在精准的安装定位基础上才会发挥作用。 3. 角横裂和星状裂纹
图3－钒、铌扩大钢的第三脆性区
角横裂分布在铸坯内弧角部振痕谷处，在低合金高强钢中更常见。一般钢种
在700～950℃有一个塑性（面缩率）低的区域称为第三脆性区。研究表明第三脆性区是由于AlN等在晶界析出造成的；铌、钒、硼的碳、氮化合物有类似AlN的作用，使脆性区加大（图3－）。从图3－可以看出，即使在此脆性区内面缩率仍有30％以上；如果铸坯没有缺陷，它能够承受很大变形而不发生断裂；矫直的变形量是相对较小的。但铸坯表面并不是均匀完整的，有振痕等各种缺陷。当铸坯矫直时内弧需要拉伸变形，裂纹就容易出现在振痕谷的应力集中处。减轻振痕是控制角横裂的方向之一。
铸坯温度影响碳、氮化合物的析出。控制坯表面温度直到矫直完成一直高于950℃，既进入脆性区前矫直。这是控制角横裂的有效措施。关键是铸坯角部温度偏低。用弱的二次冷制度却很难改变矫直区板坯角部温度。控制矫直区板坯角部温度的关键在于矫直段及前一段的二冷喷嘴布置。生产中可以适当提高浇铸速度、严防二冷区漏水淌水来提高矫直温度。
表面星状裂纹经常不露在铸坯表面，经酸洗之后才能发现，有的经轧制后暴露出来。比较流行的看法认为，高温铸坯表面吸收了结晶器的铜，铜渗入奥氏体晶界导致星状裂纹。但也有人研究了结晶器镀镍与无镀层的差别，结果是镀镍层并不减少星状裂纹，认为保护渣等稳定结晶器热流的方法可以减少星状裂纹。尽管以上两说相左，还是都认为星状裂纹发生在结晶器内。
另外一类看法则认为星状裂纹发生在二冷区。坯壳表面的铁元素在二冷区被选择氧化，剩下的铜、镍、锡、铅等富集并熔化成液体。液体渗入奥氏体晶界而产生脆化。0.1～0.2%的Cu在高温下就有富集，使裂纹敏感性增加。另外在二冷区温度下AlN在奥氏体晶界析出增加了钢的脆性。坯壳温度的反复震荡也促成铌、钒、硼等元素的碳、氮化合物析出也可增加裂纹敏感性。这与低合金高强钢中更常见星状裂纹是一致的。
总之，控制非必须的元素（如氮）、减轻振痕、提高坯温是减少角横裂的努力方向。对星状裂纹的认识仍不一致，作者倾向于碳、氮化合物析出增加裂纹敏感性产生星状裂纹。 4. 表面横裂
表面横裂中的一类是在铸坯内弧的振痕谷处。与上文的角横裂产生的机理是一样的，都是碳、氮化合物析出造成的脆性及表面缺陷处的应力集中引起。应对的措施一如上述。
另外还有其它类型的表面横裂纹；可以根据具体的裂纹形态判断产生原因。有与表面凹陷共生或在凹陷下的横裂纹，这是由于在结晶器内坯壳局部粘结后被撕裂，由于拉速等工艺因素的变化，撕裂部分愈合没有漏钢；这种缺陷经历矫直时发展成横裂纹。这种横裂的应对措施类似于粘结和纵裂。连铸机设备或异物对坯壳的运动有干涉时表现出拉坯阻力大，铸坯上有划伤，有时在铸坯表面上拉出微裂纹，经矫治形成表面横裂纹。例如圆坯结晶器锥度过大会发生这种横裂。