方坯与矩形坯的菱形变形优化分析

菱形变形（又叫脱方）是大小方坯所特有的形状缺陷。方坯一对角小于90°，另一对角大于90°，或方坯横断面两个对角线长度不相等使方坯发生扭曲称为菱形或脱方，如图5-1～图5-3所示。一般用对角线长度差表示菱变的大小。发生菱变的铸坯还往往伴有内部裂纹的产生，菱形变形严重的方坯在轧制时，不能咬入孔型。如果方坯结晶器内各边冷却不均匀，就会造成四个边凝固壳厚度不一样，从而使凝固坯壳的收缩程度也不均匀。有的地方与铜壁接触良好，有的地方与铜壁脱开，从而使铸坯断面发生菱变。如铸坯出结晶器后，四个面冷却仍不均匀，坯壳支承又不充分，就会更加促使菱形变形的发展。

图5-1 GCr15钢方坯菱形低倍形貌（等轴晶率45.33%）

脱方往往伴有角部裂纹发生。角部裂纹主要是连铸坯在结晶器内冷却不均匀造成的。在结晶器角部区域，由于二维传热，坯壳凝固最快，最早收缩，气隙首先形成。传热减慢，推迟凝固，随着坯壳的下移，气隙从角部扩散到面部，由于钢液静压力的作用，结晶器的面部间隙比角部要小，因此角部坯壳最薄，常常是产生裂纹和拉漏的祸根。如果结晶器倒锥度太小，会使铸坯表面和结晶器内壁产生间隙，这种间隙最早出现在角部，使角部的坯壳减薄。结晶器的内表面凸凹不平造成冷却不均匀，坯壳在扭曲变形成钝角处与结晶器壁失去接触，其凝固速度比锐角处与结晶器壁接触的凝固速度要小，就会在坯壳钝角部位这个薄弱处，因承受的应力集中而产生裂纹，一般出现在靠近铸坯角部20～30mm的地方。角部裂纹离铸坯表面的距离最长11mm，最短穿透表面。角部裂纹从激冷层发展到柱状晶区域，裂纹最短29mm，最长80mm，这说明铸坯角部裂纹在结晶器内产生，出结晶器后（即使二次冷却区冷却均匀）仍继续发展。如果二次冷却区冷却强度不均匀，更加剧了角部裂纹的程度，严重时还会导致拉漏。

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图5-2 GCr15钢方坯菱形和中心裂纹低倍形貌

图5-3 45钢方坯菱形和中心裂纹低倍形貌

为了防止或减轻方坯的菱形变形，可以采用下列措施：改进结晶器结构，防止结晶器内壁表面发生凸凹变形；结晶器各面冷却水通路的间隔要均衡；适当减少结晶器冷却水量；在结晶器下设置足辊或冷却板；二次冷却区铸坯四个面要均匀冷却等。