摘要：本⽂深⼊展⽰了异形坯缺陷⽂献回顾，主要集中在缺陷的形成机理，提出降低缺陷的解决措施，展⽰了调查缺陷使⽤的技术，采取措施改善钢⽔质量和在连铸⼯序中的结晶器设计，⼆冷修改和仪器仪表的校准，扇形段⽀撑，连铸弧形校准等等。 异形坯连铸诞⽣于1968年[1]，从那时起到现在已经安装了约60套异形坯连铸机，本⽂展⽰异形坯缺陷⽂献回顾，主要集中在缺陷的形成机理，提出降低缺陷的解决措施。表⾯缺陷包括纵向裂纹和横向裂纹，内部缺陷是⽓泡和凝固过程产⽣的裂纹，展望包括调查缺陷使⽤的技术：⾦相组织调查，计算流体动⼒学，热⼒学和热机模型等。连铸⼯序采取的措施，改进浸⼊式⽔⼝（SEN）设计，⼆冷修改和校准仪器仪表，弧形段⽀撑等。 异形坯可以敞开浇铸，准保护浇铸和保护浇铸，这三种形式浇铸⽅式见图1所⽰，每⼀种⽅式都有其优缺点，见表1。敞开浇铸⼀般⽤于⼩断⾯异形坯，尽管也有使⽤单⽔⼝浇铸⽅式，但是通常每个结晶器采⽤两个定径⽔⼝来浇铸。对于敞开浇铸的定径⽔⼝已经可以进⾏⾃动快速更换[2]。敞开浇铸简单，⽣产效率较⾼，但是敞开浇铸遇到的问题是钢⽔中的硅和锰的⼆次氧化，也有在结晶器使⽤喂⼊铝丝来加强脱氧形成的氧化铝。敞开浇铸遇到的质量问题见表1。 图1 a是敞开浇铸；b是准保护浇铸；c是使⽤浸⼊式双⽔⼝保护浇铸；d单浸⼊式⽔⼝浇铸[4]
表1 3种浇铸模式优缺点
绝⼤多数异形坯连铸使⽤准保护浇铸，这种⽅式组合了敞开浇铸和保护浇铸的优点，使⽤两个⽔⼝将钢⽔引⼊到结晶器内，这样就可以使⽤结晶器保护渣。虽然也有试验使⽤的横向⽔⼝[3]，但是通常都是使⽤垂直⽔⼝进⼊结晶器内。当浇铸⼤型断⾯异形坯和铝镇静钢的时候，使⽤塞棒机构或者滑板机构组合浸⼊式⽔⼝浇铸⽅式。考虑到结晶器空间的限制，单个进⼊⽔⼝也进⾏了试验[4,5]。
异形坯结晶器可以采⽤铜管结构，即与通常⼩⽅坯⼀样，也可采⽤像板坯结晶器那样的四块板结构，见图2所⽰。通常铜管⽤于⼩断⾯和中型断⾯的异形坯⽣产，四块板结构的结晶器由两个窄⾯和两个宽⾯组合⽽成[7]，也可以在组合式异形坯结晶器中设计成插⼊异形坯铜管，这样就可使⽤两种⽅法组织⽣产，这个⽅案已经使⽤在中型断⾯的结晶器上。
图2 异形坯结晶器：a管式铜管；b是四块板组合式结晶器
典型的板式异形坯结晶器的宽⾯铜板使⽤⼀排圆孔进⾏冷却，窄⾯的铜板采⽤⽔槽冷却，见图3。
图3 典型的异形坯结晶器窄⾯和宽⾯冷却⽔路设计
板式异形坯结晶器具有下列特点：（a）有⼏种冷却⽔空腔⽅式来带⾛热量：铜板背后⽔槽，铜板打冷却⽔孔环，完全的冷却⽔孔。冷却槽或孔之间间隔⼀定距离，在铜板位置上偏向热⾯；（b）组合
结晶器刚度⼤；（c）冷却⽔通道横向⼏何尺⼨稳定；（d）容易达到不同的锥度模式；（e）成本较⾼。
相对于⽅坯连铸机，由于异形坯结晶器结构上的复杂性，特别是横向断⾯不规则，所以⼴泛地采⽤流体流动和热⼒学模型进⾏传热计算[8~11]。
1 表⾯缺陷
异形坯的表⾯缺陷与⽅坯缺陷基本相像，但有⼀些特别的地⽅，这些缺陷有针孔、裹渣和纵向裂纹。
1.1 针孔
这种缺陷主要发⽣在使⽤定径⽔⼝油润滑的浇铸⽅式上，针孔出现造成最终轧制H型钢出现质量问题，特别是在腹板和
这种缺陷主要发⽣在使⽤定径⽔⼝油润滑的浇铸⽅式上，针孔出现造成最终轧制H型钢出现质量问题，特别是在腹板和翼缘对接窝巢处，轧钢加热过程并不能消除这个缺陷，异形坯轧制前⼏个道次在⼀些部位是⾃由宽展（没有约束来限制宽展）[12]，针孔缺陷在连铸坯阶段其内部没有氧化铁⽪，经过轧钢加热炉后就充满了氧化铁⽪。
针孔形成的原因是润滑油中的⽔分（或者是在供油管路中吸⼊潮⽓）、过多的供油量、润滑油分布不均匀、油槽间隙太厚（⼤于0.5mm）、由于喷溅造成油路的堵塞、钢⽔液⾯突然变化、使⽤冲棒措施、钢⽔脱氧不良等原因造成的，使⽤结晶器电磁搅拌有助于针孔的消除。
1.2 疤痕
在铸坯上出现⼩的漏钢，但是马上冷却愈合，没有形成事故和⾦属损失。发⽣在异形坯这个缺陷的例⼦见图4，这是由于结晶器内异形坯热区环状应变所致，或者粘结导致。在油润滑敞开发⽣的机理见图5所⽰。
图4 异形坯670mm宽度翼缘内弧表⾯结疤[11]
图5 结晶器内局部漏钢愈合机理（左1 结晶器液⾯温度；左2 结晶器内液⾯上升，热⾯润滑油⼲枯，造成缺乏润滑区域；左3 结晶器液⾯下降通过缺油区域，坯壳粘结到铜板上，拉矫机仍然⼯作铸坯下⾏；左4 拉矫机的作⽤使得此处变
薄撕裂；左5 钢⽔溢出，然后在铜管壁上冷却凝固愈合）
1.3 裹渣发泡聚苯乙烯
在敞开浇铸钢⽔和⼤⽓以及氧化渣接触形成泡沫浮渣，这个浮渣内通常含有硅酸锰，如果硅含量过⾼（由于低的Mn/Si ⽐），发⽣氧化硅的析出，导致⾼的黏度，浮渣进⼊异形坯表⾯的危险增加，特别严重情况下将发⽣漏钢事故。另外向结晶器内喂⼊铝丝也造成浮渣的⾼黏度，⾼黏度浮渣不能避免，难以达到理想正确的位置上，这两种情况概况在图6中的SiO2-MnO-Al2O3三元相图中。
图6 红圈部分：固相析出危险区域（由于较低的Mn/Si⽐造成氧化硅析出，或者由于结晶器喂⼊的铝线不恰当造成了氧
化铝夹杂析出），位于敞开浇铸的弯⽉⾯位置上液⾯浮渣
采⽤保护浇铸（使⽤漏⽃或浸⼊式⽔⼝）的⽅式也有类似的情况发⽣，保护渣吸收氧化铝造成黏度升⾼，或者在钢⽔中的元素和保护渣的氧化物起还原反应造成黏度升⾼（例如，钢中溶解钛和渣中的氧化硅反应）。钢⽔注流形成的紊流、过度搅拌功率和浸⼊式⽔⼝或漏⽃插⼊深度太浅这些因素会造成保护渣的裹⼊到钢中。
1.4 ⽹状裂纹
舞台烟火这些裂纹与钢中的铜含量相关，⽤⾼⽐例废钢冶炼铸坯⼀般铜含量偏⾼，在坯壳与铜板或铜管之间的⽓隙增⼤，晶粒尺⼨变⼤，假如铜含量⾼，这个地⽅会产⽣裂纹。图7所⽰是Dragon钢⼚轧制后的H
型钢表⾯⽹状裂纹。在这个钢⼚铜含量控制<0.15%，为了达到这个要求，电炉冶炼中使⽤较⾼⽐例的铁⽔，钢中的铜含量与加⼊的废钢类型和品质有关，见图7装⼊⽐例⽰意。
图7 在Dragon钢⼚热轧后的H型钢表⾯⽹状裂纹
1.5 纵向裂纹
这个缺陷在异形坯中相当普遍，缺陷在结晶器内形成，与板坯和⼤断⾯矩形坯的纵向裂纹是类似的（见图8），观察轧制产品的⾦相⾼倍照⽚，发现内部存在氧化现象（试样经过抛光处理，不需要腐蚀），脱碳现象（使⽤2%腐蚀试样），看到氧贯穿进⼊（使⽤碱性铬酸钠热腐蚀）。造成纵向裂纹缺陷的因素有液态钢⽔化学成分、保护渣性质、连铸机结晶器振动偏摆、结晶器冷却⽔流量和温度上变化、⼆冷流量不正确等等。
图8 异形坯1050mm宽度，翼缘和腹板交界处的纵向裂纹[11]
钢的化学成分：从早期的研究看，硫含量对纵裂的影响较多（见图9），另外⼀个相关的元素是碳含量，需要避免包晶
钢的化学成分：从早期的研究看，硫含量对纵裂的影响较多（见图9），另外⼀个相关的元素是碳含量，需要避免包晶相变的发⽣，在板坯连铸上对纵裂缺陷有很多经验，例如韩国浦项专家展⽰了2000
多炉修磨清理的异形坯的裂纹[15]，他们发现碳含量在0.12~0.13%范围内纵裂敏感性强，对应的就是包晶钢包晶反应重的缘故。Stahwerke Thuringen以前建议碳含量最⼤为0.08%来避免包晶区，为了达到需要的机械强度，将锰含量下线定为0.60%[16]。最近，包晶反应的碳含量范围的计算已经开始使⽤热⼒学商⽤软件FactSage和ThermoCalc进⾏计算。
图9 异形坯腹板处钢中硫含量对纵向裂纹指数的影响[14]
保护渣：使⽤漏⽃和浸⼊式⽔⼝可以使⽤保护渣，出现的纵向裂纹已经知晓，例如，在Stahlwerke Thüringen钢⼚中，使⽤⾼碱度低黏度保护渣对于低拉速（<1m/min）浇铸⼩断⾯异形坯效果很好[17]，见图10。在弯⽉⾯使⽤弱冷可以得到流动的保护渣，哪怕较低的液态保护渣渗透能⼒和润滑能⼒就可以部分抵消低黏度造成的纵裂的危险，在另外的条件中，JFE Steel Mitzushima钢⼚发现相反的现象，低黏度保护渣并没有解决纵裂问题（当然纵裂还有其它的原因共同作⽤）。在弯⽉⾯的冷区（例如靠近⽔⼝区域），保护渣达到了它的性能的极限，不能对纵裂有所帮助，见图11。
图10 在StahlwerkeThuringen钢⼚使⽤不同保护渣，⼩断⾯异形坯低拉速（低于1m/min），检验对纵向裂纹形成的影响
图11 在1050mm宽度异形坯中的纵向表⾯裂纹和保护渣卷⼊[11]
营养块
连铸拉速：前⾯提到的韩国浦项的研究，展⽰了⼀个线性关系，当连铸拉速增加，固态坯壳变薄，热流量增加，应变增⼤，结果产⽣较多的裂纹。
⼆冷过程：增加⼆冷强度反⽽增加了纵裂形成的倾向，在Kawasaki钢⼚（现在的JFE钢⼚）表明这个关系，对于硫含量的影响也已经进⾏了讨论，见图12。数据存储安全检测
图12 在不同的⼆冷流量制度下，硫含量对纵裂形成的影响[18]
⼴泛使⽤数学模型来发现和解决缺陷问题，例如，Jin Yi钢铁公司使⽤模型来优化⼆冷以避免这些裂纹，他们使⽤的是ANSYS软件进⾏热机模型计算，⽤MATLAB软件优化参数[19]。中国的马鞍⼭钢铁公司考虑到所有的传热机理，完全使⽤优化的⼆冷模型来达到避免纵裂产⽣（见图13）[20]。这些经验概况在表2中，它们的作⽤可以划分为：（a）冶⾦因素：较低硫含量；避免包晶相变的成分；（b）保护渣：使⽤⾼碱度保护渣和均匀传热效果；（c）结晶器设计：避免腹板和翼缘连接处的纵向裂纹；（d）⼆冷过程：⼆冷⼀段采⽤弱冷；良好的横向喷嘴分布。
图13 中国马钢⼆冷传热机理⽰意，使⽤数模优化⼆冷避免纵裂
风力摆控制系统
表2 异形坯纵向表⾯裂纹缺陷概括
2 内部缺陷
炼焦配煤异形坯内部缺陷类似于⽅坯，⽓泡，中芯⽹状裂纹和在翼缘边部内裂在下⾯都进⾏了讨论。
2.1 ⽓泡
这个缺陷靠近铸坯表⾯，并垂直于表⾯，如果铸坯内部该缺陷严重，可以在⽕焰切割机后端⾯⾁眼可见，这个缺陷往往发⽣在中间包浇次中的第⼀炉铸坯上，或者某些有问题的炉次上，或者所有的炉号都有[12]，当枝晶之间的⽓体偏析⾜够多的时候，冷却过程中离开靠近了异形坯的表⾯，他们到达弯⽉⾯下⾯停⽌，此时钢⽔的静压⼤于⽓泡压⼒⽽不能上浮停留在钢中（见图14）。
图14 异形坯⽓泡：a是横向低倍，b是放射探伤照⽚[21]
⽓泡是由于钢中溶解过多的⽓体所致（氧，氮，氢），这个现象在早期的连铸机就已经进⾏了模拟，从⼆次氧化的观点看，采⽤Mn-Si镇静脱氧对于解决⽔⼝堵塞（假如⼆次氧化不是⾮常强烈）和⽓泡缺陷是⼀种妥协的解决⽅案，见图15。
图15 在Mn-Si镇静钢中优化脱氧制度减少⽓泡和防⽌⽔⼝堵塞，见参考⽂献18
Dragon钢⼚报告⼀例使⽤定径⽔⼝浇铸异形坯出现⽓泡情况[21]，出钢时刻脱氧采⽤80kg铝和40kg的CaFe，使其氧含量低于10pp，如果由于钢⽔温度过低，中间包⽔⼝需要烧氧导致局部氧含量上升。从⽣产的异形坯进⾏修磨清理检查，见图16，对精炼炉和连铸⼯序变化进⾏全⽅位的研究，结论是中
间包修补使⽤的耐⽕材料湿度太⼤，于是在异形坯上产⽣了⽓泡缺陷[22]。
图16 在Dragon钢⼚清理异形坯⽓泡
2.2 ⽹状中芯裂纹
这个缺陷与板坯中⼼线偏析发⽣的缺陷是等同的。⼆冷⽀撑长度不⾜或者⼆冷过程冷却不⾜造成铸坯⿎肚，其严重时候腹板内部⿎肚开裂，见图17a。中⼼偏析级别⾼和裂纹形成可以在轧制过程中显现出来，避免这种⿎肚缺陷的措施是检查辊⼦的加持作⽤和扇形段设备对中检查。
⽇本Mitzushima钢⼚和Kawasaki钢⼚报告了⼀种中⼼裂纹案例，该铸机基本半径是12.5m，采⽤漏⽃⽔⼝保护渣浇铸400x460x120mm异形坯和287x560x120mm异形坯，图17b给出了硫含量和拉速的影响，通过强化腹板处的冷却和严格加持辊缝检查解决了这个问题。
图17 a是腹板中⼼开裂，b是硫含量和拉速对腹板中⼼裂纹的形成的影响
2.3 翼缘边部内部裂纹
对这个特殊的缺陷进⾏了研究，因为它导致了漏钢事故，在JFE公司的Kurashiki钢⼚进⾏了改进从⽽解决这个问题，表3给出了研究和解决的⽅案。正常的浇铸中还有⼀定的裂纹发现在翼缘端部附件，
这与⽅坯和板坯⾓部附近的裂纹是⼀致的，见图18。这个缺陷通过优化结晶器翼缘端部的锥度来解决的。
表3 JFE公司Kurashiki钢⼚对翼缘末端的研究
图18 在JFE公司的Kurashiki钢⼚的正常浇铸异形坯翼缘端部裂纹（没有漏钢）
3 结论
异形坯已经有50多年的⽣产历史了，但是仍然具有表⾯质量和内部质量缺陷，有些缺陷与⽅坯缺陷类似，有些与板坯缺陷相同，异形坯由于形状特殊造成了特有的凝固缺陷，针对发⽣的缺陷钢⼚必须研究来解决。了解缺陷特性是⾮常重要的，通过模拟有助于了解缺陷的形成机理，提出正确的解决措施。
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