一種定量描述品種鋼連鑄坯凝固組織形貌特征的方法
【專利摘要】本發明公開了定量描述品種鋼連鑄坯凝固組織形貌特征的方法，對品種鋼連鑄坯的橫斷面進行熱酸洗，容積比為1:0.5-1.5的鹽酸水溶液，溫度在60℃至80℃、時間為5-35min；利用高清數碼相機拍照，獲得整體形貌；在整體形貌圖上，各選取一個以上的測量點，獲得該點的典型凝固組織；利用分形理論中的數盒子法或/和周長面積法來計算不同類型凝固組織的分形維數，以此來定量描述其形貌特征。本發明的方法，能夠更為細致的反映連鑄坯凝固組織的形貌特點，分形維數越大，晶粒的形貌復雜程度和自相似程度越高；能夠將連鑄坯不同區域凝固組織的形貌特點綜合在一起對比；能夠更好的跟連鑄坯的內部質量及缺陷相關聯。
【專利說明】 一種定量描述品種鋼連鑄坯凝固組織形貌特征的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及冶金工程【技術領域】，尤其涉及一種描述品種鋼連鑄坯凝固組織形貌特征的新方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]品種鋼連鑄坯的凝固組織反映了其整體的結構特征，因此它跟連鑄坯及最終產品的質量有緊密的關系。根據晶粒的形貌特點，連鑄坯的凝固組織通常被劃分為激冷層、柱狀晶區與等軸晶區這三個區域。如何準確描述不同區域凝固組織的特點就成為研究、控制及優化它們的基礎。前人對此主要是通過等軸晶的比例，一次晶粒間距和二次晶粒間距來反映凝固組織的結構特征。同時，也通過這些指標的大小來表示連鑄坯的不同質量。例如，認為等軸晶比例越大，晶粒間距越小，則連鑄坯的質量越均勻，偏析與疏松等缺陷的程度越低。但是，實踐發現這種關系時常會出現偏差。產品的質量并不是等軸晶比例越大越好，缺陷程度跟晶粒間距之間也不一直都呈現負相關關系，不同類型凝固組織的晶粒間距也往往不能直接對比。同時，雖然等軸晶具有各向同性的特點，但其整體比例的大小并不一定就反映該區域各個晶粒的形貌特點，也就不能有效反映其均勻程度與致密程度。鑄坯內部偏析與疏松等缺陷的程度與晶粒間距相關，但晶粒間距只是從距離這個角度反映晶粒之間的致密程度，并不能包括晶粒的形貌特征。實際上，偏析與疏松等缺陷都是在凝固組織的基礎上形成的，因此晶粒的各方面形貌對于鑄坯的缺陷等級有直接的影響。另外，柱狀晶區晶粒的形貌相對等軸晶區與激冷層(二者內部的晶粒都是等軸晶，但形貌不同)而言是各向異性的，如果不依托于實際晶粒的形貌特點而隨意的對其間距進行對比也肯定會有失偏頗。因此，就非常有必要采用一種更為細致與全面、更有代表性的方法來描述連鑄坯凝固組織的形貌特征。本發明就是引入分形維數這一新方法來更好地實現對品種鋼連鑄坯凝固組織形貌的定量描述。
[0004]B.B.Mandelbrot于20世紀70年代首次提出了分形幾何學的整體思想，分形維數是其中的一個基礎概念。這一新概念主要是用來衡量復雜圖形的復雜程度和自相似程度。一般來說，分形維數越大，圖形的復雜程度和自相似程度也越大。目前，這種思想已經應用于很多領域并取得顯著的成果。本發明首次將這一概念及計算方法應用于對品種鋼連鑄坯不同類型凝固組織形貌的定量描述。
[0005]
【發明內容】
[0006]針對現有方法的不足，本發明的目的主要在于提供一種不僅能夠描述凝固形貌特征且能跟鑄坯質量建立關聯性的新方法。
[0007]為了實現上述目的，本發明采用了如下技術手段:
一種描述品種鋼連鑄坯凝固組織形貌特征的新方法，包括以下步驟: (1)通過熱酸洗得到品種鋼連鑄坯的凝固組織的整體形貌:熱酸洗中酸液容積比為1:0.5-1.5的鹽酸水溶液(工業鹽酸)，酸蝕溫度為60°C至80°C，酸蝕時間為5_35min。熱酸洗之后，利用高清數碼相機拍照，獲得連鑄坯凝固組織的整體形貌；
(2)在拍照獲得的整體形貌圖上，在激冷層、柱狀晶與等軸晶三個區域，各選取一個以上的測量點，獲得典型凝固組織晶粒；選取不同區域(激冷層、柱狀晶與等軸晶)的典型凝固組織:從整體形貌選取不同區域內足夠數量的典型凝固組織晶粒，獲得該點的典型凝固組織。
[0008](3)利用分形維數對不同類型凝固組織的形貌進行定量描述:利用分形理論中的數盒子法或/和周長面積法來計算不同類型凝固組織的分形維數，并以此來定量描述不同凝固組織的形貌特征；
(4)所述的數盒子法計算分形維數，用SI與S2這兩種不同邊長的正方形盒子覆蓋單個凝固組織的形貌，并分別計算其中“非空”的盒子數(NI與N2)。然后利用公式D=(lgNl-lgN2)/(lgS2-lgSl)+l這一方程得到凝固組織形貌的分形維數D。
[0009](5)所述的周長面積法計算分形維數，首先分別測出多個同類凝固組織形貌的周長(P)和面積(A)，然后以IgA為橫坐標，以IgP為縱坐標作點狀圖，并通過對圖中不同數據點的線性擬合得到其斜率(S)。最后利用公式D=2XS+1這一方程得到所觀察區域的凝固組織形貌的分形維數D。
[0010]相比于現有方法，本發明具有如下有益效果:
(I)能夠更為細致與全面地定量反映連鑄坯凝固組織的形貌特點。分形維數越大，晶粒的形貌復雜程度和自相似程度越高。
[0011](2)能夠將連鑄坯不同區域凝固組織的形貌特點綜合在一起對比。因為分形維數本身就包含了晶粒自身的形貌特點。
[0012](3)能夠更好的跟連鑄坯的內部質量及缺陷相關聯。連鑄坯缺陷跟凝固組織晶粒的形貌特點緊密相關。由于分形維數能夠更為細致與全面的反映晶粒的形貌，因此就能利用這一新方法來更好的研究連鑄坯質量跟凝固組織的關系。同種條件下，分形維數越大，凝固組織越均勻、越致密，缺陷發生程度越低。
[0013]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為實際品種鋼連鑄坯的凝固組織；
圖2為圖1中不同區域凝固組織的分形維數；
圖3為分形維數與缺陷等級的關系圖。
[0015]
【具體實施方式】
[0016]實施例:
I)利用酸液容積比為1:0.5-1.5的鹽酸水(工業鹽酸)溶液對品種鋼連鑄坯的橫斷面進行熱酸洗實驗，酸蝕溫度在60°C至80°C的范圍，酸蝕時間為5-35min ;熱酸洗之后，利用高清數碼相機拍照，獲得該橫斷面連鑄坯凝固組織的整體形貌；如圖1所示。由于連鑄坯不同組成對酸蝕溶液的反應程度不一，因此酸洗之后將呈現連鑄坯橫斷面的凝固組織形貌；便于拍攝清晰的照片和之后選取測量點。
[0017]2)圖1中的凝固組織由激冷層、柱狀晶與等軸晶三個不同的區域組成，外側是激冷層區域，在冷卻時與連鑄結晶器內側壁接觸，快速散熱、冷卻，而形成激冷層；激冷層內側是柱狀晶區域，柱狀晶內側(處于中間核心區域，屬于最后冷卻的區域)形成等軸晶區域。在拍照獲得的整體形貌圖上，在激冷層、柱狀晶與等軸晶三個區域，各選取一個以上的測量點，獲得這些測量點的典型凝固組織晶粒，即獲得該測量點的典型凝固組織。圖中從這三個區域內共選擇八個不同的位置點(如圖2所示)。其中的(I)號與(8)號屬于激冷層區域，
(2)與(7)屬于柱狀晶區域，(3)至(6)屬于等軸晶區域。然后，從這八個位置點分別選取足夠數量的典型凝固組織晶粒。
[0018]3)分別利用分形理論中的數盒子法或/和周長面積法計算八個不同位置點典型凝固組織晶粒的分形維數，分別計算得到對應的分形維數；如果同時采用數盒子法與周長面積法計算，則對兩種方法的計算值取平均值。通過對拍照獲得的整體形貌圖進行處理，利用計算機程序按照設定的步驟和方法就能識別每個選取的典型凝固組織晶粒(測量點)，然后獲得該典型凝固組織晶粒的相關參數，并能將相關參數帶入數盒子法或/和周長面積法，從而計算得到每個典型凝固組織晶粒的分形維數。該方法配合使用的計算機程序，不是本發明的創新點，而且本領域的技術人員根據需要能夠編制該程序，故在此不做進一步描述。經計算最后的取平均值結果如圖3所示，激冷層內等軸晶的分形維數D在2.6至2.9的范圍，等軸晶區域內等軸晶的分形維數在2.1至2.7的范圍且波動較大，柱狀晶區域內晶粒的分形維數在2.8至3.0的范圍。
[0019]4)圖3為八個不同位置點缺陷等級與分形維數的關系。可見，二者成很好的負相關性。
[0020]本發明的數盒子法，其計算分形維數，用SI與S2這兩種不同邊長的盒子(正方形)覆蓋單個凝固組織的形貌，并分別計算其中“非空”的盒子數(NI與N2)。然后利用公式D=(lgNl-lgN2)/(lgS2-lgSl)+l這一方程得到凝固組織形貌的分形維數D。
[0021]本發明的所述的周長面積法，其計算分形維數，首先分別測出多個同類凝固組織形貌的周長(P)和面積(A),然后以IgA為橫坐標，以IgP為縱坐標作點狀圖，并通過對圖中不同數據點的線性擬合得到其斜率(S)。最后利用公式D=2XS+1這一方程得到所觀察區域的凝固組織形貌的分形維數D。
[0022]本發明，利用這種新的定量描述方法來衡量凝固組織形貌的復雜程度與自相似程度。能夠更好的跟連鑄坯的內部質量及缺陷相關聯。連鑄坯缺陷跟凝固組織晶粒的形貌特點緊密相關。由于分形維數能夠更為細致、更有代表性的反映晶粒的形貌，因此就能利用這一新方法來更好的研究連鑄坯質量跟凝固組織的關系。同種條件下，分形維數越大，凝固組織越均勻、越致密，缺陷發生程度越低。
[0023]本發明采用的數盒子法(BOX-COUNTING METHOD)，是一種常用的計算分形圖形分維的實用方法；取邊長為r的小盒子(可以理解為拓撲維為d的小盒子，把分形覆蓋起來，由于分形內部有各種層次的空洞和縫隙，故有些小盒子是空的，有些小盒子覆蓋了分形的一部分，計算多少小盒子不是空的，所得的“非空”(non-empty)盒子數記為N (r)，然后縮小盒子的尺寸r，所得N Cr)自然增大；當，r —O時，得到數盒子法定義的分維關系。本發明采用周長面積法(PERIMETER-AREA METHOD)，是一種常用的計算分形圖形分維的實用方法，其在得到不同凝固組織的周長與面積之后就可以計算。對于數盒子方法與周長面積法，是一種現有技術，也是一種成熟理論，具體可參閱《分形幾何學》，地震出版社2005年出版，陳顒、陳凌編著。
[0024]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種定量描述品種鋼連鑄坯凝固組織形貌特征的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)通過熱酸洗得到品種鋼連鑄坯的凝固組織的整體形貌:熱酸洗中容積比為1:0.5-1.5的鹽酸水溶液對品種鋼連鑄坯的橫斷面進行熱酸洗，酸蝕溫度在60°C至80°C的范圍，酸蝕時間為5-35min ;熱酸洗之后，利用高清數碼相機拍照，獲得連鑄坯凝固組織的整體形貌； (2)在拍照獲得的整體形貌圖上，在激冷層、柱狀晶與等軸晶三個區域，各選取一個以上的測量點，獲得該點的典型凝固組織:通過從整體形貌中在三個區域內選取足夠數量的典型凝固組織晶粒，獲得該點的典型凝固組織； (3)利用分形維數對不同類型凝固組織的形貌進行定量描述:利用分形理論中的數盒子法或/和周長面積法來計算不同類型凝固組織的分形維數，并以此來定量描述其形貌特征； 所述的數盒子法，其計算分形維數，用SI與S2這兩種不同邊長的正方形盒子覆蓋單個凝固組織的形貌，并分別計算其中“非空”的盒子數，得到NI與N2數值； 然后利用公式D= (lgNl-lgN2)/(lgS2-lgSl)+l這一方程得到凝固組織形貌的分形維數D ； 所述的周長面積法，其計算分形維數，首先分別測出多個同類凝固組織形貌的周長(P)和面積(A)，然后以IgA為橫坐標，以IgP為縱坐標作點狀圖，并通過對圖中不同數據點的線性擬合得到其斜率(S);最后利用公式D=2XS+1這一方程得到所觀察區域的凝固組織形貌的分形維數D。
【文檔編號】G01B11/24GK104197858SQ201410457276
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年9月10日
【發明者】侯自兵, 陳晗, 毛伊航, 張波, 趙尹, 文光華, 唐萍 申請人:重慶大學