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(fā)明公開(kāi)了定量描述品種鋼連鑄坯凝固組織形貌特征的方法，對(duì)品種鋼連鑄坯的橫斷面進(jìn)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(shí)間為5-35min；利用高清數(shù)碼相機(jī)拍照，獲得整體形貌；在整體形貌圖上，各選取一個(gè)以上的測(cè)量點(diǎn)，獲得該點(diǎn)的典型凝固組織；利用分形理論中的數(shù)盒子法或/和周長(zhǎng)面積法來(lái)計(jì)算不同類型凝固組織的分形維數(shù)，以此來(lái)定量描述其形貌特征。本發(fā)明的方法，能夠更為細(xì)致的反映連鑄坯凝固組織的形貌特點(diǎn)，分形維數(shù)越大，晶粒的形貌復(fù)雜程度和自相似程度越高；能夠?qū)⑦B鑄坯不同區(qū)域凝固組織的形貌特點(diǎn)綜合在一起對(duì)比；能夠更好的跟連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量及缺陷相關(guān)聯(lián)。
【專利說(shuō)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及冶金工程【技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0003]品種鋼連鑄坯的凝固組織反映了其整體的結(jié)構(gòu)特征，因此它跟連鑄坯及最終產(chǎn)品的質(zhì)量有緊密的關(guān)系。根據(jù)晶粒的形貌特點(diǎn)，連鑄坯的凝固組織通常被劃分為激冷層、柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)這三個(gè)區(qū)域。如何準(zhǔn)確描述不同區(qū)域凝固組織的特點(diǎn)就成為研究、控制及優(yōu)化它們的基礎(chǔ)。前人對(duì)此主要是通過(guò)等軸晶的比例，一次晶粒間距和二次晶粒間距來(lái)反映凝固組織的結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，也通過(guò)這些指標(biāo)的大小來(lái)表示連鑄坯的不同質(zhì)量。例如，認(rèn)為等軸晶比例越大，晶粒間距越小，則連鑄坯的質(zhì)量越均勻，偏析與疏松等缺陷的程度越低。但是，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)這種關(guān)系時(shí)常會(huì)出現(xiàn)偏差。產(chǎn)品的質(zhì)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(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，不同類型凝固組織的晶粒間距也往往不能直接對(duì)比。同時(shí)，雖然等軸晶具有各向同性的特點(diǎn)，但其整體比例的大小并不一定就反映該區(qū)域各個(gè)晶粒的形貌特點(diǎn)，也就不能有效反映其均勻程度與致密程度。鑄坯內(nèi)部偏析與疏松等缺陷的程度與晶粒間距相關(guān)，但晶粒間距只是從距離這個(gè)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(shí)際上，偏析與疏松等缺陷都是在凝固組織的基礎(chǔ)上形成的，因此晶粒的各方面形貌對(duì)于鑄坯的缺陷等級(jí)有直接的影響。另外，柱狀晶區(qū)晶粒的形貌相對(duì)等軸晶區(qū)與激冷層(二者內(nèi)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(shí)際晶粒的形貌特點(diǎn)而隨意的對(duì)其間距進(jìn)行對(duì)比也肯定會(huì)有失偏頗。因此，就非常有必要采用一種更為細(xì)致與全面、更有代表性的方法來(lái)描述連鑄坯凝固組織的形貌特征。本發(fā)明就是引入分形維數(shù)這一新方法來(lái)更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)70年代首次提出了分形幾何學(xué)的整體思想，分形維數(shù)是其中的一個(gè)基礎(chǔ)概念。這一新概念主要是用來(lái)衡量復(fù)雜圖形的復(fù)雜程度和自相似程度。一般來(lái)說(shuō)，分形維數(shù)越大，圖形的復(fù)雜程度和自相似程度也越大。目前，這種思想已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域并取得顯著的成果。本發(fā)明首次將這一概念及計(jì)算方法應(yīng)用于對(duì)品種鋼連鑄坯不同類型凝固組織形貌的定量描述。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)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(zhì)量建立關(guān)聯(lián)性的新方法。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)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(guò)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(yè)鹽酸)，酸蝕溫度為60°C至80°C，酸蝕時(shí)間為5_35min。熱酸洗之后，利用高清數(shù)碼相機(jī)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(gè)區(qū)域，各選取一個(gè)以上的測(cè)量點(diǎn)，獲得典型凝固組織晶粒；選取不同區(qū)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(qū)域內(nèi)足夠數(shù)量的典型凝固組織晶粒，獲得該點(diǎn)的典型凝固組織。
[0008](3)利用分形維數(shù)對(duì)不同類型凝固組織的形貌進(jìn)行定量描述:利用分形理論中的數(shù)盒子法或/和周長(zhǎng)面積法來(lái)計(jì)算不同類型凝固組織的分形維數(shù)，并以此來(lái)定量描述不同凝固組織的形貌特征；
(4)所述的數(shù)盒子法計(jì)算分形維數(shù)，用SI與S2這兩種不同邊長(zhǎng)的正方形盒子覆蓋單個(gè)凝固組織的形貌，并分別計(jì)算其中“非空”的盒子數(shù)(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(shù)D。
[0009](5)所述的周長(zhǎng)面積法計(jì)算分形維數(shù)，首先分別測(cè)出多個(gè)同類凝固組織形貌的周長(zhǎng)(P)和面積(A)，然后以IgA為橫坐標(biāo)，以IgP為縱坐標(biāo)作點(diǎn)狀圖，并通過(guò)對(duì)圖中不同數(shù)據(jù)點(diǎn)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(qū)域的凝固組織形貌的分形維數(shù)D。
[0010]相比于現(xiàn)有方法，本發(fā)明具有如下有益效果:
(I)能夠更為細(xì)致與全面地定量反映連鑄坯凝固組織的形貌特點(diǎn)。分形維數(shù)越大，晶粒的形貌復(fù)雜程度和自相似程度越高。
[0011](2)能夠?qū)⑦B鑄坯不同區(qū)域凝固組織的形貌特點(diǎn)綜合在一起對(duì)比。因?yàn)榉中尉S數(shù)本身就包含了晶粒自身的形貌特點(diǎn)。
[0012](3)能夠更好的跟連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量及缺陷相關(guān)聯(lián)。連鑄坯缺陷跟凝固組織晶粒的形貌特點(diǎn)緊密相關(guān)。由于分形維數(shù)能夠更為細(xì)致與全面的反映晶粒的形貌，因此就能利用這一新方法來(lái)更好的研究連鑄坯質(zhì)量跟凝固組織的關(guān)系。同種條件下，分形維數(shù)越大，凝固組織越均勻、越致密，缺陷發(fā)生程度越低。
[0013]

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為實(shí)際品種鋼連鑄坯的凝固組織；
圖2為圖1中不同區(qū)域凝固組織的分形維數(shù)；
圖3為分形維數(shù)與缺陷等級(jí)的關(guān)系圖。
[0015]

【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例:
I)利用酸液容積比為1:0.5-1.5的鹽酸水(工業(yè)鹽酸)溶液對(duì)品種鋼連鑄坯的橫斷面進(jìn)行熱酸洗實(shí)驗(yàn)，酸蝕溫度在60°C至80°C的范圍，酸蝕時(shí)間為5-35min ;熱酸洗之后，利用高清數(shù)碼相機(jī)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(duì)酸蝕溶液的反應(yīng)程度不一，因此酸洗之后將呈現(xiàn)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(cè)量點(diǎn)。
[0017]2)圖1中的凝固組織由激冷層、柱狀晶與等軸晶三個(gè)不同的區(qū)域組成，外側(cè)是激冷層區(qū)域，在冷卻時(shí)與連鑄結(jié)晶器內(nèi)側(cè)壁接觸，快速散熱、冷卻，而形成激冷層；激冷層內(nèi)側(cè)是柱狀晶區(qū)域，柱狀晶內(nèi)側(cè)(處于中間核心區(qū)域，屬于最后冷卻的區(qū)域)形成等軸晶區(qū)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(gè)區(qū)域，各選取一個(gè)以上的測(cè)量點(diǎn)，獲得這些測(cè)量點(diǎn)的典型凝固組織晶粒，即獲得該測(cè)量點(diǎn)的典型凝固組織。圖中從這三個(gè)區(qū)域內(nèi)共選擇八個(gè)不同的位置點(diǎn)(如圖2所示)。其中的(I)號(hào)與(8)號(hào)屬于激冷層區(qū)域，
(2)與(7)屬于柱狀晶區(qū)域，(3)至(6)屬于等軸晶區(qū)域。然后，從這八個(gè)位置點(diǎn)分別選取足夠數(shù)量的典型凝固組織晶粒。
[0018]3)分別利用分形理論中的數(shù)盒子法或/和周長(zhǎng)面積法計(jì)算八個(gè)不同位置點(diǎn)典型凝固組織晶粒的分形維數(shù)，分別計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)；如果同時(shí)采用數(shù)盒子法與周長(zhǎng)面積法計(jì)算，則對(duì)兩種方法的計(jì)算值取平均值。通過(guò)對(duì)拍照獲得的整體形貌圖進(jìn)行處理，利用計(jì)算機(jī)程序按照設(shè)定的步驟和方法就能識(shí)別每個(gè)選取的典型凝固組織晶粒(測(cè)量點(diǎn))，然后獲得該典型凝固組織晶粒的相關(guān)參數(shù)，并能將相關(guān)參數(shù)帶入數(shù)盒子法或/和周長(zhǎng)面積法，從而計(jì)算得到每個(gè)典型凝固組織晶粒的分形維數(shù)。該方法配合使用的計(jì)算機(jī)程序，不是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)，而且本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)需要能夠編制該程序，故在此不做進(jìn)一步描述。經(jīng)計(jì)算最后的取平均值結(jié)果如圖3所示，激冷層內(nèi)等軸晶的分形維數(shù)D在2.6至2.9的范圍，等軸晶區(qū)域內(nèi)等軸晶的分形維數(shù)在2.1至2.7的范圍且波動(dòng)較大，柱狀晶區(qū)域內(nèi)晶粒的分形維數(shù)在2.8至3.0的范圍。
[0019]4)圖3為八個(gè)不同位置點(diǎn)缺陷等級(jí)與分形維數(shù)的關(guān)系?？梢?jiàn)，二者成很好的負(fù)相關(guān)性。
[0020]本發(fā)明的數(shù)盒子法，其計(jì)算分形維數(shù)，用SI與S2這兩種不同邊長(zhǎng)的盒子(正方形)覆蓋單個(gè)凝固組織的形貌，并分別計(jì)算其中“非空”的盒子數(shù)(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(shù)D。
[0021]本發(fā)明的所述的周長(zhǎng)面積法，其計(jì)算分形維數(shù)，首先分別測(cè)出多個(gè)同類凝固組織形貌的周長(zhǎng)(P)和面積(A),然后以IgA為橫坐標(biāo)，以IgP為縱坐標(biāo)作點(diǎn)狀圖，并通過(guò)對(duì)圖中不同數(shù)據(jù)點(diǎn)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(qū)域的凝固組織形貌的分形維數(shù)D。
[0022]本發(fā)明，利用這種新的定量描述方法來(lái)衡量凝固組織形貌的復(fù)雜程度與自相似程度。能夠更好的跟連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量及缺陷相關(guān)聯(lián)。連鑄坯缺陷跟凝固組織晶粒的形貌特點(diǎn)緊密相關(guān)。由于分形維數(shù)能夠更為細(xì)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(lái)更好的研究連鑄坯質(zhì)量跟凝固組織的關(guān)系。同種條件下，分形維數(shù)越大，凝固組織越均勻、越致密，缺陷發(fā)生程度越低。
[0023]本發(fā)明采用的數(shù)盒子法(BOX-COUNTING METHOD)，是一種常用的計(jì)算分形圖形分維的實(shí)用方法；取邊長(zhǎng)為r的小盒子(可以理解為拓?fù)渚S為d的小盒子，把分形覆蓋起來(lái)，由于分形內(nèi)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(jì)算多少小盒子不是空的，所得的“非空”(non-empty)盒子數(shù)記為N (r)，然后縮小盒子的尺寸r，所得N Cr)自然增大；當(dāng)，r —O時(shí)，得到數(shù)盒子法定義的分維關(guān)系。本發(fā)明采用周長(zhǎng)面積法(PERIMETER-AREA METHOD)，是一種常用的計(jì)算分形圖形分維的實(shí)用方法，其在得到不同凝固組織的周長(zhǎng)與面積之后就可以計(jì)算。對(duì)于數(shù)盒子方法與周長(zhǎng)面積法，是一種現(xiàn)有技術(shù)，也是一種成熟理論，具體可參閱《分形幾何學(xué)》，地震出版社2005年出版，陳顒、陳凌編著。
[0024]最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)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(guò)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(duì)品種鋼連鑄坯的橫斷面進(jìn)行熱酸洗，酸蝕溫度在60°C至80°C的范圍，酸蝕時(shí)間為5-35min ;熱酸洗之后，利用高清數(shù)碼相機(jī)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(gè)區(qū)域，各選取一個(gè)以上的測(cè)量點(diǎn)，獲得該點(diǎn)的典型凝固組織:通過(guò)從整體形貌中在三個(gè)區(qū)域內(nèi)選取足夠數(shù)量的典型凝固組織晶粒，獲得該點(diǎn)的典型凝固組織； (3)利用分形維數(shù)對(duì)不同類型凝固組織的形貌進(jìn)行定量描述:利用分形理論中的數(shù)盒子法或/和周長(zhǎng)面積法來(lái)計(jì)算不同類型凝固組織的分形維數(shù)，并以此來(lái)定量描述其形貌特征； 所述的數(shù)盒子法，其計(jì)算分形維數(shù)，用SI與S2這兩種不同邊長(zhǎng)的正方形盒子覆蓋單個(gè)凝固組織的形貌，并分別計(jì)算其中“非空”的盒子數(shù)，得到NI與N2數(shù)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(shù)D ； 所述的周長(zhǎng)面積法，其計(jì)算分形維數(shù)，首先分別測(cè)出多個(gè)同類凝固組織形貌的周長(zhǎng)(P)和面積(A)，然后以IgA為橫坐標(biāo)，以IgP為縱坐標(biāo)作點(diǎn)狀圖，并通過(guò)對(duì)圖中不同數(shù)據(jù)點(diǎn)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(qū)域的凝固組織形貌的分形維數(shù)D。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK104197858SQ201410457276
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】侯自兵, 陳晗, 毛伊航, 張波, 趙尹, 文光華, 唐萍 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)