在板坯表面最常见的横向角裂纹，尤其常见于垂直弯式连铸机生产的低过共析钢。这类缺陷不仅需要在轧制前进行额外的表面加工，还需补偿再热炉中的温度下降，这会大幅增加钢材生产成本。为解决这一问题，研究人员设计了改进型倒角模具，通过优化宽窄面锥度，成功缩小了间隙尺寸并解决了相关问题。该新型模具目前正应用于特定高速滑轮，其开裂率较高，经验证能有效减少横向角裂，且不会产生纵向裂纹或模具过度磨损等副作用。

1 引言

当持续浇注钢水时，模具内的钢水开始凝固，钢水热量通过水冷铜板模具传递，最终在模具壁上形成固态壳体。矩形模具的四个角部区域可能出现过冷现象。在垂直弯式铸造机中，当凝固的钢壳脱模时，其外半径在弯曲区域，板坯表面承受拉伸应力，随后在非弯曲区域，内半径表面承受拉伸应力。若板坯角温度降至低延展性范围，同时板坯通过弯曲或非弯曲区域，板坯表面的振荡痕迹会形成集中拉伸应力的缺口，从而引发横向角裂纹的产生与扩展。

倒角模具已被许多研究者引入，这可以减少由于角部不同角度形状导致的二维过冷现象。如果倒角板坯的角部壳温较矩形角部充分升高，角部可能避免在弯曲和非弯曲区域出现低延展性范围，从而防止角部裂纹，如图1所示。根据经验，当应用于铸造速度低于1.0m/min的厚板连续铸机时，该技术能有效减少横向角部裂纹且无任何副作用。然而，若铸造速度较高，则可能出现严重的纵向裂纹。这些裂纹常沿整个坯条延伸，成为严重缺陷，导致倒角模具可能不适用于高速铸造工艺。

高速铸造时，模具内钢壳因凝固时间缩短而变薄。这种薄壳在凝固过程中更易受应力影响，导致裂纹率显著增加。此外，高速铸造的模具助熔剂消耗量减少，产生的润滑渣层也更薄。与低速铸造相比，这种情况下更易出现冷却不均和凝固不均现象，裂纹问题也更为突出。

为防止这些问题 ，必须缓解局部不均匀凝固。为此，已提出多种方法以避免相关裂纹问题。例如，为保持凝固钢壳与模具之间的良好接触，可采取以下措施 ：增大模具锥度以补偿壳体收缩并减少气隙形成，以及优化倒角形状（尺寸与角度）。此外，通过改变模具粉末的性能以实现软冷却，从而减少倒角面上的纵向裂纹，亦可抑制不均匀凝固。

本研究对裂纹相关现象进行了基础分析，以了解和预防裂纹问题。

2 倒角模具裂纹相关现象的研究

在斜面模具成功应用于厚板连铸机后，业界又尝试将其推广至高速连铸机以减少横向角裂。但这种做法反而导致斜面产生纵向裂纹，使模具寿命缩短，特别是当锥度较大时问题更为突出。

为探究倒角面纵向裂纹的成因，观察了角区内的凝固组织结构。对开裂的角区进行抛光处理后，使用硝酸溶液蚀刻，通过光学显微镜观察内部微观结构。如图2所示，显微图像中观察到的白色条带表明，位于倒角面的角区处凝固壳层较薄，裂纹明显起始于该薄壳区域的外表面。这证实了先前提出的局部非均匀凝固现象。随后，周围壳体的常规冷却收缩导致壳体薄区产生收缩应力和拉伸应力，最终形成裂纹。

此类裂纹深度过深， 即便采用刮除法也无法清除，最终导致产品质量不合格。更严重的是，表面检查时漏检裂纹的钢坯在后续轧制过程中， 因角部裂纹形成延伸缺陷，即边缘剥落。由于这些缺陷仍存在于预定宽度的钢材中，大量产品被报废，造成了巨大的资源浪费。

壳体角落处可见的树枝状结构本应垂直于板坯表面生长，以表明凝固过程均匀，但由于形成了可能含有空气的过量间隙，凝固壳体呈现异常生长方向。这表明未优化的倒角模具应用会导致凝固不均并产生较大间隙，从而引发纵向裂纹。

在安装倒角模具时发生了材料破裂，该模具将凝固壳体限制在模具内，从而便于取出。将凝固钢壳体在弯月面下方500mm处切割成中心横截面，可比较各角倒角表面钢壳体的厚度。观察发现，倒角表面在内侧左角处，凝固壳层比其他角落更为纤薄，且在最薄部位确认存在纵向裂纹。 由于钢水泄漏位置与纵向裂纹轨迹完全吻合，这无疑是纵向裂纹逐渐扩大并引发泄漏事故的明确证据。这种现象本质上源于铸型上部区域的凝固钢壳层异常纤薄脆弱，导致凝固过程不均匀。这种情况在高速连铸机中尤为常见，其斜面结构的钢壳层对纵向裂纹的敏感性会显著增加。

通过对存在裂纹试样的冶金学分析可以推断，板坯角部附近的非均匀凝固会导致纵向裂纹在凝固钢壳较薄的区域从倒角面开始萌生。 因此，在实际连铸条件下验证钢壳在模具内的凝固行为演变至关重要。 由于窄面铜模的倒角面未安装热电偶，无法进行直接测温。为此，必须借助精确的多物理场计算建模与分析，量化倒角模具内钢壳的凝固行为。

3 带倒角模具中钢壳固化行为

耦合多物理场建模能够量化模具区域中凝固钢壳的热力学与力学行为。模型预测结果通过工厂实测数据进行验证。模具板热流密度的模型预测与工厂实测数据显示，窄面中心处的预测热流密度与FBG实测值高度吻合，误差仅约5%。在模具顶部下方0至100mm的渣层区域，热流密度较低；当距离模具顶部100mm处低于液面时，热流密度开始上升，并在液面下50mm处达到峰值。这可能是由于液面附近存在渣边效应，同时该区域二维热流的影响所致。

在液面处，液态钢与模具板保持完全接触，因此模具周边各处均无间隙。在凝固初期，液面下方100mm处的壳体表面温度略微降至约1573K。随着液态钢转化为奥氏体固态壳体，发生显著的凝固收缩。凝固过程及周边伴随的收缩导致钢壳与模具表面分离，尤其在倒角角部区域，这会扩大壳体与模具之间的界面间隙，并可能形成气隙。这使得钢壳角部区域的表面温度升高。在液面下方200mm处，外侧钢壳在宽面和窄面处的表面温度与模具板接触良好，约为1573K。然而，在倒角区域， 由于存在气隙，钢壳表面温度升至1673K。

凝固后的钢壳在靠近宽面侧的倒角面上最薄，此处观察到纵向裂纹形成。即使在弯月面下方300mm处，仍存在较大的气隙，尽管自200mm点起已额外经过4.8s的凝固时间，但壳体最薄处的温度仍为1673K。另一方面，在壳体与模具接触良好的其他区域，温度降至1473K 。通过计算得出弯月面下方300mm处的压力为21kPa。该压力较大，但不足以克服气隙以实现壳体与模具板的接触。

从弯月面下方400mm至模具底部，凝固钢壳的外表面完全呈奥氏体组织，相较于温度范围1672.93-1756.85K的区域，其凝固收缩量更小。在此期间，凝固收缩量小于模具锥度，导致倒角面上的气隙逐渐减小，最终实现与模具的重新接触。

根据模拟结果，倒角面纵向裂纹的产生是由于在钢水最初凝固的弯月面和弯月面下方300mm左右的区域之间形成了气隙，该气隙是由于钢水凝固时的快速和大幅度收缩造成的，导致局部壳体表面温度升高，壳体变薄，拉应力集中，从而导致纵向裂纹的产生。

4 倒角模具纵向裂纹形成机理

钢壳凝固过程由于气隙导致局部温度升高，形成了薄壳结构，且最大拉应力出现在宽面附近倒角区域的特定位置。若该应力超过临界高温拉伸强度，倒角面上将产生纵向裂纹。预测的最大应力位置与实际测得的裂纹位置高度吻合。可以推断倒角面上的纵向裂纹是由于气隙引起的凝固不均导致的壳体收缩不均匀所致。

纵向裂纹形成的机制如图3所示，其进展过程如下：

1）模具锥形结构与凝固收缩之间的不匹配，导致模具上部倒角区域形成显著的气隙。

2）模具未与凝固钢壳完全接触的区域出现更高的壳体表面温度，且该区域的凝固钢壳较窄面和宽面相邻区域更薄，其他区域因接触更佳而形成更冷、更厚的壳体。

3）应力集中发生在壳体局部热点，该处温度更高、厚度更薄、强度更弱，对于易发生不均匀传热、壳体生长和厚度不均匀的钢种，应力集中现象更为严重。

横向拉应力在局部薄壳热点处集中，引发垂直于应力方向的纵向表面裂纹，随着凝固过程的进行，该裂纹沿纵向方向扩展。

如图2（c）所示，对爆裂事故后距弯月面500mm处的凝固钢壳四个角落进行检测时， 明显可见左侧内侧的钢壳为最薄部位。在该区域外表面清晰可见倒角面上形成纵向裂纹。倒角面的纵向裂纹源于相变过程中发生的快速显著凝固收缩现象。

在凝固开始时，材料从液态向固态的转变过程超过了上模的锥度补偿范围，导致局部凝固不均匀，表明纵向裂纹起始于模具上部区域。若裂纹严重程度较高，可能引发操作事故，例如钢水在模具内渗漏，甚至在通过模具底部后发生破裂。

5 预防裂纹的实用策略:先进倒角模具

倒角面纵向裂纹的产生源于凝固不均，这种现象是由于模具上部区域过度凝固收缩所致。由于模具板在铸造方向上呈直线形，因此难以仅在模具上部区域增加锥度。如前文所述，增大模具锥度可暂时缓解裂纹形成，但该调整仍不足以完全补偿模具上部区域的凝固收缩。此外，这种调整还会导致模具底部与钢壳产生显著摩擦，从而引发模具磨损问题。

数值分析中考虑壳体收缩、锥度及模具变形的宽面与窄面位移历史如图4所示，重点展示了边缘倒角面与宽面交汇处的临界点。图4（a）显示窄面方向（Y轴）的位移，图4（b）则展示宽面方向（X轴）的位移。两图中线条分别代表壳体收缩量和包含锥度及模具板热变形的模具轮廓（该变形量较小）。因此，这两条线之间的阴影区域表示模具窄面与壳体表面之间的间隙，该间隙内含有空气和模具渣。

考虑到窄面方向的位移情况，图4（a）显示钢壳与模具板在模具下部保持良好接触。这表明窄面模具的锥度至少足够，甚至可能过大。然而，上部间隙较大，在弯月面下方180mm处最大达1.6mm。为减小上模的气隙，提出了窄面模具板的新型多锥度设计。考虑了模具变形的影响，采用三级多锥度结构。这种拐点使模具上部更靠近壳体，此处壳体收缩量最大。窄面凸起程度的确定，是通过选取超低碳钢壳体（具有最小凝固收缩）与高碳钢壳体（具有最大凝固收缩）之间气隙的中位值来实现的， 因为该单连铸机用于生产多种钢种。该新设计将空气间隙尺寸有效减半。

从图4（b）的宽面结构来看，该压铸机与大多数同类设备一样，由于缺乏足够的宽面锥度，导致模具从上至下整个长度存在明显间隙。这种间隙在模具上部区域尤为显著，最大间隙尺寸在弯月面下方约225mm处达到0.8mm。与窄面结构不同，窄面可通过调节斜率在操作过程中前后调整模具锥度，宽面锥度被固定为每边1mm，且无法调整。这种固定的小锥度导致宽面非对角区域不可避免地存在贯穿模具的气隙，因为其补偿凝固收缩的能力弱于窄面。因此，无法像校正窄面锥度那样在宽面应用多级锥度设计。这是因为宽面在任何可调位置都必须与窄面接触。若采用多级宽面锥度轮廓，至少在部分位置会导致严重的不兼容性和气隙问题。因此，大多数板坯铸造机普遍存在宽面锥度不足的问题，导致脱模角区域整个模具长度上出现明显的间隙。

幸运的是，这种倒角模具形状通过防止坯料在狭窄面区域来回滑动，有效缓解了非角区域宽面锥度不足的问题。通过迫使坯料紧贴倒角模具壁排列，模具内外半径侧的界面间隙得以保持相对均匀。类似效果也可通过沟槽或波浪模具设计实现，可用于避免铸坯机产生菱形缺陷。

为解决宽面斜角下方产生大面积间隙的问题，对窄面模具壁的表面轮廓进行了优化设计。窄面模具板的上中部区域被塑造成朝向靠近弯月面的凝固壳体凸起，随着模具向下延伸逐渐变平。这种设计使得弯月面处的钢壳呈现凹形，当钢壳沿模具向下移动时，由于静磁压力作用会逐渐变平，最终在模具出口处形成横贯窄面中部的平整钢壳。该设计的关键在于：凹形钢壳初始周长较后续变平的轮廓更长，随着沿铸造方向延伸，其在窄面处的周长被迫缩短。这相当于在模具上部区域形成了额外的宽面锥度。同时，模具壁原有的直线边缘始终保持良好接触，从而避免了配合问题。

此外 ，通过调节窄面模具板上中部凸起的曲率程度，可灵活控制宽面锥度设计的范围。

如图4（b）所示，宽面锥度的有效量显著增加，因此间隙尺寸明显减小。

将两种用于增强模具上部区域宽窄面锥度的设计方案相结合，即图5（a）中沿窄面的多锥度设计，以及图5（b）中窄面上部中部的凸形凸起，最终形成了图5（c）和（d）所示的模具形状。这代表了本研究开发的新型倒角模具设计。通过在窄面上同时采用多锥度设计和上部凸起结构，可以完全补偿模具上部区域在初始凝固阶段产生的额外收缩，该区域的凝固收缩量最大。这种设计有效避免了在角落周围（包括宽面、倒角区域和窄面）出现过大的间隙。

在这一新型倒角模具设计中，通过调节两个参数可控制模具上部区域的锥度： 图5（a）中窄面多锥度距离α，以及图5（b）中凸起距离β。这两个参数需根据所浇铸的钢种进行优化，并可从目标局部参数反推计算得出。

锥度范围为1.4%至2.0%。此外，建议采用渐进式凸起曲率变化，以最大限度减少钢壳与模具板之间的接触损失。

这种新型倒角模具设计在韩国浦项高速连铸机的工厂试验中进行了验证。该试验区域存在横向角裂频繁发生的情况，而原有倒角模具因倒角面出现纵向裂纹无法使用。对板坯角部微观结构的观察证实，凝固钢壳结构非常完整，表明局部壳体变薄和开裂现象已得到避免。此外，通过模具冷却水温升和流量测得的模具热流密度增加了5% ，证明了角部气隙的减小。

最终，在浦项的特定连铸机全面采用新型倒角模具设计后，一年内共生产了超过300万吨钢坯。

碳含量在0.01wt，%至0.60wt，%范围内的钢种（包括0.10wt，%的过共析钢） 中，横向角裂纹最为常见。横向角裂纹发生率从13.5%显著降至1.9% ，倒角面纵向裂纹频率也从2.0%大幅降低至接近0%。这一改进部分得益于各钢种锥度参数的持续优化。

需要特别强调的是，新型倒角模具设计缓解纵向裂纹的机制之一，是通过强制壳体在模具下行进时沿狭窄面保持对齐。 由于遵循倒角形状，狭窄面壳体在宽面之间的水平移动幅度得以减小。当这种移动发生时，壳体容易在模具中游移，导致一侧宽面与高热流区域充分接触，而另一侧宽面则与低热流区域形成较大间隙。这种不对称性会加剧低热流区域纵向裂纹的形成，并伴随壳体温度升高和局部薄弱点的产生。原始倒角模具在两个倒角表面（一个靠近内半径，另一个靠近外半径）会产生不对称的温度分布。这种不对称性证明了该机制，且在原始倒角模具设计实施前可能更为严重。新型倒角模具设计很可能由于钢壳与模具之间接触更佳，从而产生更优的对称性。这种改进能有效防止横向位移，减少间隙形成，提高热流密度，实现更均匀的模具传热，并减少纵向裂纹。

新设计中模具上部区域更大的锥度可能会增加模具磨损，因为钢壳与模具板之间的摩擦力会增大。不过该区域的钢壳温度极高、厚度极薄且强度不足。经过一年多的工业运行，模具的这一区域并未出现明显磨损。新设计的窄面多锥度结构相比原有的直线锥度设计，其下部锥度更小，从而略微延长了模具板的使用寿命。虽然窄面热端的几何结构较为复杂，导致加工成本增加约25%，但与减少裂纹带来的显著效益相比，额外成本微不足道。因此，没有实际理由阻止这种新设计在连铸工艺中的应用。目前，这种创新的模具板设计已广泛应用于大多数需要减少转角裂纹的高速连铸机。

6 结论

在高速连铸中，传统线性锥度模具难以应对钢坯初始凝固时的剧烈收缩，导致气隙形成，引发倒角面纵向裂纹，尤其在高碳钢等软化区宽的钢种中更为严重。新型倒角模具通过优化多锥度结构与上凸起长度，实现宽窄面更均匀凝固，减少角部薄壳和气隙，显著降低纵向裂纹风险。实际应用表明，该设计使模具角落裂纹率从13.5%降至1.9%，基本消除倒角面纵向裂纹，同时提升传热效率、改善凝固均匀性，且不增加磨损或影响操作稳定性。该技术适用于从超低碳钢到高碳钢等多种钢种，展现出强适应性和推广潜力，为高质量无裂纹连铸提供了可靠技术路径。未来可进一步优化模具型面以适配不同钢种与铸机，并拓展至其他坯型。

《世界金属导报》

2026年第5期 B06、B07