关键词：连铸；振痕；弯月面

     连铸是使钢水不断的通过水冷结晶器，凝固成壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺。同模铸相比，连铸工艺具有金属收得率高、节约能源、提高铸坯质量、改善劳动条件、便于实现机械自动化等优点。为防止铸坯在凝固过程中与结晶器壁粘结，在连铸过程中通常采用结晶器振动技术，并使用保护渣进行润滑，来保证连铸过程的顺利进行。但由于多种工艺条件共同作用使铸坯表面形成了周期性振痕，严重影响了连铸坯质量。

  振痕是影响铸坯表面质量的重要因素，它使铸坯表面质量恶化，并易在振痕产生位置内部生成裂纹，导致成分的偏析。减小铸坯表面振痕深度，提高连铸坯的表面质量是目前众多学者所关注的热点。同时振痕的形成机理和控制技术也得到了广泛研究。

1  连铸坯振痕的形成机理

    如图1所示，连铸坯主要有凹陷状振痕和钩状振痕两种基本形式。对于每种基本形式而言，振动波纹是以波谷和波峰的形式成组出现的。连铸过程中一些参数会对振痕形态产生影响，如保护渣的粘度过小，流动性过强，振痕会呈现不规则的形态。

1．1  敞开浇铸油润滑连铸坯振痕的形成

    1961年Savage等人发现在结晶器上下往复振动过程中，熔融钢液的初始凝固壳会始终粘结在结晶器的内壁上并且随之运动。当结晶器的振动方向和拉坯方向相反时，钢液的初始凝固壳就会发生破裂，导致坯壳内未凝固的钢液溢出并填充在破裂位置上。在结晶器向下运动的过程中，破裂位置重新得到愈合，这样形成的一道愈合痕就是振痕。由于结晶器的周期性运动导致了铸坯初始凝固壳的破裂周期性的出现，引起了振痕周期性的产生。该模型对振痕形成机理的解释进行了有效的尝试。但是这种模型过于简单，而且没有考虑结晶器振动摩擦力及保护渣的润滑作用。因此，这种机理的正确性得到了质疑，目前已经基本被抛弃。

    1 984年Samarasekera等人通过研究发现，和弯月面接触的结晶器内壁会由于热应力的作用而产生1个负锥度，负滑脱时，该位置处的初凝壳会受到结晶器壁向下向里挤压作用，引起了铸坯表面的变形。正滑脱时，变形的初凝壳内未凝固的金属液溢出，形成了钩状振痕。当初始凝固壳强度较大时，金属液的溢流没有形成，但这种压力使初始凝固壳向着结晶器的内壁回收，形成凹陷状振痕。这种机理称之为机械变形机理。但该机理不能解释刚性结晶器也会产生振痕的现象，也不能解释在连铸过程中观察到的初始凝固壳突出液面的现象。

    Szekeres等人认为铸坯的初始凝固壳分为两部分。将上部的自由液面附近的凝固壳称为弯月面凝固壳，将下部的初始凝固壳称为连铸坯坯壳。连铸过程中，两部分坯壳和结晶器内壁的接触状态不同。弯月面坯壳和结晶器内壁粘结在一起并且随之上下振动，由于金属液的凝固收缩及结晶器脱模作用，铸坯坯壳和结晶器内壁之间存在的是滑动摩擦作用。在结晶器向上运动的过程中，弯月面坯壳和结晶器一起向上运动，使两部分在接触位置上产生相对位移，并发生分离。铸坯内部未凝固的钢液就会流出来填充该裂缝，并产生二次弯月面。在结晶器向下振动过程中，当处于负滑脱期时，弯月面坯壳向下运动的速度大于铸坯坯壳运动速度，在二者接触部分产生重叠缺陷，形成了振痕。结晶器的往复运动，便形成了周期性的振痕。这种机理很好地揭示了振痕的两种基本形态的产生，可以很好的解释铸坯的初始凝固现象和凝固壳突出液面的现象，但不能解释当结晶器振动没有负滑脱时也会出现振痕的现象。这一机理有待于进一步研究。

1．2  浸入式水口保护渣浇铸连铸坯振痕的形成

    Tomono等人提出了熔融保护渣和结晶器振动互相作用模型。认为，在负滑脱期间，指向铸坯中心的压力使弯月面边沿的初始凝固壳向里运动，负滑脱将要结束和正滑脱将要开始时弯月面初始凝固壳开始向结晶器移动，如果溢流从铸坯的初始凝固壳破裂而出，此时就会产生钩状振痕，如果不能溢流出来，就会形成凹陷状振痕。但是，由于保护渣的存在，减小了初凝壳和结晶器内壁的摩擦力，减小了拉裂的可能，因此，凹陷状振痕出现的机会更大。Tomono将保护渣的作用考虑到了机理当中。

    Brimacombe等人认为在连铸过程中，弯月面位置上的熔融钢液由于冷却会部分凝固，该凝固壳会受到保护渣周期性压力而发生周期性的变形，这是形成振痕的主要原因。在负滑脱期间，弯月面坯壳在保护渣压力冲击的作用下离开结晶器壁向内弯曲，正滑脱期间保护渣的正压力又将坯壳拉回结晶器，形成凹陷振痕。如果弯月面坯壳刚度较大，坯壳顶部可以产生溢流，便会形成钩状振痕。这种机理有比较好的定量分析，成功地解释了凹陷形振痕的产生。

    Lainea等人在研究170 mm×170mm方坯的过程中，突然停止了拉坯和结晶器的振动，等到钢水液面淹没渣圈上沿关闭中间包水口，纵剖结晶器以及里面的铸坯观察初始凝固点，发现铸坯的初始凝固点和第一条振痕并不在弯月面位置产生，而是在弯月面以下50mm处产生，因此，结晶器内液面和坯壳开始凝固之间存在着一段钢液，是结晶器内钢水的附加容积。这种额外液体容积模型还没有本质的提出振痕的形成机理，需要进一步研究。

       Hasse等人认为在连铸过程中结晶器内金属弯月面处的表面张力对振痕的形成有重要作用，并且振痕深度和弯月面的形状相关。随着拉坯的进行，未凝固金属液初凝壳的相对位置逐步上升，此时，金属液的表面张力平衡了金属液的静压力，当静压力大于表面张力时，弯月面就会产生溢流，形成振痕。这机理解释了在结晶器没有振动的情况下也会出现振痕的情况。目前这一机理的研究还不系统，有待于进一步研究。

      除此之外，也有研究表明是由于在负滑脱时间内，结晶器和铸坯的相对位移以及此时部分熔渣的堆积及上下运动造成的振痕的波峰和波谷。在结晶器下振时，在负滑移量处产生波谷，上振时，在相对滑移量和负滑移量之差位置上产生波峰，但是，这种机理还有待验证和详细讨论。

2连铸振痕的影响因素

2．1传统连铸工艺对振痕的影响

2。1．1振痕间距和振痕深度

  振痕间距和振痕深度是衡量振痕的重要参数。因此，考虑连铸坯振痕的影响因素时，应分别考虑这两个参数。同时，大量研究表明，无论是低碳钢还是中碳钢，当振痕间距增大时，振痕的深度随之增大。

2．1．2振痕间距的影响因素

  振痕的间距主要决定于公式：

              P=Vc／f    (1)

  合理的控制振痕间距对控制振痕深度有重要作用。研究表明：对ω(C)为0．08 %和0．26％的钢来说，振痕间距越大，振痕深度越深。振痕间距和连铸过程中的毛细常数相关。在理想状况下，振痕间距和√2a成正比。

  而σ和钢种的含碳量以及钢液的浇注温度相关。因此，振痕间距会受到钢种、浇注温度以及过热度的影响。同时，振痕间距还会随着弯月面的升高而增大，会随着弯月面的下降而减小。Howe和Stewart的研究中表明在自由流浇注的情况下，实际的振痕间距要比预测的要小，有保护渣的浸入式水口浇注，振痕间距和预测的基本相同。在保护渣浇注的情况下，当拉坯速度为0．016 7 m／s，在结晶器振动频率小于700Hz时，预测的振痕间距和实际的间距基本相同，当振动频率超过700 Hz时，振痕的间距变得没有规律。在另一方面，Yasunaka等的研究在频率为300Hz时，实际间距和预测间距得到了很好的吻合。

    为了保证坯壳厚度的均匀性，防止横裂，振痕间距不能过大，但为了防止裂纹源的增多，振痕间距也不能过小。

2．1．3振痕深度的影响因素

    振痕深度和连铸过程的工艺参数相关。研究表明，连铸坯振痕深度主要由以下公式决定：

        tn

d=k----- (3)

     √η

    要有效的控制振痕的深度，需要控制连铸过程中的负滑脱时间和保护渣的粘度。

    尽管热轧工序可以将部分振痕消除，但振痕不能忽视。这是由于振痕是横向裂纹产生的首选位置，当振痕较深时可直接导致严重的裂纹。研究表明，连铸振痕主要产生在负滑脱期间。内，减小负滑脱时间可以减少振痕出现的机会，并可以有效地控制振痕的形态。负滑脱时间可以用下式来表示：

    通过分析可知，结晶器振动的振幅减小时，负滑脱时间减小，振痕深度减小。拉坯速度提高时，负滑脱时间减小，振痕深度减小。但拉速不能提高太大，如下式所示：

    d1和保护渣的消耗量成正比。可以看出，结晶器的摩擦阻力会随着拉速增大而增大，容易导致坯壳粘结，发生生产事故。

    结晶器的振动频率提高时，负滑脱时间先是增大，然后迅速减小，转折点和结晶器的振幅相关。结晶器的振幅越大，转折点出现的越早。因此提高结晶器振动频率，减小结晶器振幅，可以减小负滑脱时间，从而使振痕深度减轻，目前公认的负滑脱时间都应该控制在0．1～0．3 s之间。

    保护渣的物化性能通过影响结晶器弯月面处的导热系数从而对振痕深度产生影响。弯月面位置上导热系数越大，振痕越深，导热系数越小，振痕越浅。在保护渣的物化性能中，粘度对振痕深度的影响最大。而保护渣的消耗量一般由以下的公式所确定：

  由公式可知，连铸过程中所使用的保护渣的粘度越大，则保护渣的消耗量越少，这也在大量的工业实验中得到了验证。因此，为了减小连铸坯振痕深度，可以考虑增大保护渣粘度。但保护渣粘度过大，则保护渣消耗量过少，在生产中存在着漏钢事故发生的危险，对低碳钢而言，主要是裂纹漏钢，对高碳钢而言，主要是粘结漏钢。因此，适当的选择粘度大的保护渣，提高拉坯速度，提高结晶器振动频率，都可以减少保护渣的消耗量，从而达到减轻振痕的目的。

    另外，生产实践表明，减少结晶器内弯月面处的热流导出，使初始凝固坯壳变薄，有利于减轻振痕，基于这一原则，有学者对结晶器的材质和结构进行了改变，比如增加弯月面位置上的结晶器的壁厚，结晶器内壁镀膜增加结晶器的热阻等。研究表明，采用低导热的金属结晶器使振痕深度减小15％～23％左右。同时连铸结晶器的导前量(负滑脱期间结晶器和铸坯的相对位移)也会对振痕深度进行影响。结晶器的导前量太小，不能阻碍坯壳的粘结，导前量过大，结晶器与铸坯之间的相互机械作用就会增大，形成振痕及振痕深度不均，产生严重的表面缺陷，甚至断裂。研究表明结晶器的导前最大不能超过5 mm。在其它的工艺条件一定的情况下，不同的钢种会有不同的振痕深度。针对钩状振痕来说，低碳钢振痕深度要比高碳钢的要深，对凹陷状振痕来说，低碳钢和高碳钢的振痕深度基本相同。研究表明，提高熔融金属的温度可以降低金属液面的表面张力，也可达到减低振痕深度的作用。近年来的研究表明，若采用电磁连铸技术后，保护渣粘度可进一步提高，同时可避免卷渣的发生。

2．2  电磁场对连铸坯振痕的控制

    但是，由于传统的连铸系统各个参数的互相制约，仅仅依靠改变连铸系统的工艺参数来彻底消除振痕是不可能的。电磁软接触连铸技术就是依靠电磁场使熔融金属液向结晶器中心收缩，从而加宽结晶器内保护渣的通道，减小了铸坯初始凝固壳和结晶器内壁之间的摩擦力。采用该技术生产出的连铸坯表面粗糙度降低，振痕变浅。采用该技术连铸得到的铜管以及纯铝铸坯的表面质量也得到了明显改善。近期研究表明。在连铸过程中，如图3所示(ω(C)=0．75％的高碳钢)，采用电磁软接触技术可以很好的控制甚至消除连铸坯表面振痕。

    同时电磁软接触技术具有无污染，超距无接触等优点，具有广阔的生存空间。目前电磁软接触连铸技术得到了广泛的研究。在宏观该技术明显的改善和控制了连铸坯的表面振痕，提高了连铸坯的表面质量。但是，从理论上来说，电磁场作用下振痕的形成及控制机理都还有待于进一步的研究。

3  结语

    (1)很多学者对振痕的形成机理进行了研究，并提出了多种模型。但是每种模型都不能很好的解释振痕的形成过程及出现的现象。连铸坯表面质量的影响因素很多。实际工作中应该根据具体的情况来调节各项影响因素，达到控制振痕，提高表面质量的目的。从目前的研究来看，控制振痕深度和防止坯壳和结晶器内壁的粘结总是矛盾的，在实际的生产过程中需要综合考虑。

    (2)在连铸过程中，可以通过施加电磁场来控制铸坯的初始凝固过程。从而减轻，甚至彻底消除振痕。但是，电磁场作用下铸坯的初始凝固过程和振痕的形成机理有待于进一步研究。采用电磁软接触技术来实现对振痕的控制具有广阔的研究空间。

   符号说明：

    P——振痕间距，m；Vc——拉坯速度，m／s；f——结晶器的振动频率，Hz；α——毛细常数；σ保护渣和钢液之间的界面张力，N／m；ρs——钢液密度，kg／m³；ρf——保护渣密度，kg／m³；g——重力加速度，m／s²；d——连铸过程中铸坯的振痕深度，m；t_n——结晶器振动的负滑脱时间，s；k——比例常数，(N／s)^1／2；η一保护渣粘度，m2／s；a——波形偏斜率；S——结晶器的行程，m；f_t——连铸过程中结晶器内全程阻力，N；f₁——液体摩擦阻力，N；f_R——由于振痕而造成的阻力增加值，N；σ₀——钢种的铸态高温温度，T；tp——正滑脱时间，s；k₁——比例系数，(kg·m)^3/2/s^5/2；k₂——比例常数，m／kg；d_l——液态渣膜的厚度，m。