[發明專利]一種定量描述品種鋼連鑄坯凝固組織形貌特征的方法

有效

• 申請號: 201410457276.2
• 申請日: 2014-09-10
• 公開（公告）號: CN104197858B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 侯自兵;陳晗;毛伊航;張波;趙尹;文光華;唐萍
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01N21/88
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司50212
• 代理人: 李曉兵

技術領域

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。

背景技術

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。

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。

發明內容

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。

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℃至80℃，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。

（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S1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（N1與N2）。然后利用公式D=（lgN1-lgN2）/(lgS2-lgS1)+1這一方程得到凝固組織形貌的分形維數D。

（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lgA為橫坐標，以lgP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=2×S+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。

相比于現有方法，本發明具有如下有益效果：

（1）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。

（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。