[发明专利]一种定量描述品种钢连铸坯凝固组织形貌特征的方法

说明书

技术领域

本发明涉及冶金工程技术领域，尤其涉及一种描述品种钢连铸坯凝固组织形貌特征的新方法。

背景技术

品种钢连铸坯的凝固组织反映了其整体的结构特征，因此它跟连铸坯及最终产品的质量有紧密的关系。根据晶粒的形貌特点，连铸坯的凝固组织通常被划分为激冷层、柱状晶区与等轴晶区这三个区域。如何准确描述不同区域凝固组织的特点就成为研究、控制及优化它们的基础。前人对此主要是通过等轴晶的比例，一次晶粒间距和二次晶粒间距来反映凝固组织的结构特征。同时，也通过这些指标的大小来表示连铸坯的不同质量。例如，认为等轴晶比例越大，晶粒间距越小，则连铸坯的质量越均匀，偏析与疏松等缺陷的程度越低。但是，实践发现这种关系时常会出现偏差。产品的质量并不是等轴晶比例越大越好，缺陷程度跟晶粒间距之间也不一直都呈现负相关关系，不同类型凝固组织的晶粒间距也往往不能直接对比。同时，虽然等轴晶具有各向同性的特点，但其整体比例的大小并不一定就反映该区域各个晶粒的形貌特点，也就不能有效反映其均匀程度与致密程度。铸坯内部偏析与疏松等缺陷的程度与晶粒间距相关，但晶粒间距只是从距离这个角度反映晶粒之间的致密程度，并不能包括晶粒的形貌特征。实际上，偏析与疏松等缺陷都是在凝固组织的基础上形成的，因此晶粒的各方面形貌对于铸坯的缺陷等级有直接的影响。另外，柱状晶区晶粒的形貌相对等轴晶区与激冷层（二者内部的晶粒都是等轴晶，但形貌不同）而言是各向异性的，如果不依托于实际晶粒的形貌特点而随意的对其间距进行对比也肯定会有失偏颇。因此，就非常有必要采用一种更为细致与全面、更有代表性的方法来描述连铸坯凝固组织的形貌特征。本发明就是引入分形维数这一新方法来更好地实现对品种钢连铸坯凝固组织形貌的定量描述。

B.B. Mandelbrot于20世纪70年代首次提出了分形几何学的整体思想，分形维数是其中的一个基础概念。这一新概念主要是用来衡量复杂图形的复杂程度和自相似程度。一般来说，分形维数越大，图形的复杂程度和自相似程度也越大。目前，这种思想已经应用于很多领域并取得显著的成果。本发明首次将这一概念及计算方法应用于对品种钢连铸坯不同类型凝固组织形貌的定量描述。

发明内容

针对现有方法的不足，本发明的目的主要在于提供一种不仅能够描述凝固形貌特征且能跟铸坯质量建立关联性的新方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术手段：

一种描述品种钢连铸坯凝固组织形貌特征的新方法，包括以下步骤：

（1）通过热酸洗得到品种钢连铸坯的凝固组织的整体形貌：热酸洗中酸液容积比为1:0.5-1.5的盐酸水溶液（工业盐酸），酸蚀温度为60℃至80℃，酸蚀时间为5-35min。热酸洗之后，利用高清数码相机拍照，获得连铸坯凝固组织的整体形貌；

（2）在拍照获得的整体形貌图上，在激冷层、柱状晶与等轴晶三个区域，各选取一个以上的测量点，获得典型凝固组织晶粒；选取不同区域(激冷层、柱状晶与等轴晶)的典型凝固组织：从整体形貌选取不同区域内足够数量的典型凝固组织晶粒，获得该点的典型凝固组织。

（3）利用分形维数对不同类型凝固组织的形貌进行定量描述：利用分形理论中的数盒子法或/和周长面积法来计算不同类型凝固组织的分形维数，并以此来定量描述不同凝固组织的形貌特征；

（4）所述的数盒子法计算分形维数，用S1与S2这两种不同边长的正方形盒子覆盖单个凝固组织的形貌，并分别计算其中“非空”的盒子数（N1与N2）。然后利用公式D=（lgN1-lgN2）/(lgS2-lgS1)+1这一方程得到凝固组织形貌的分形维数D。

（5）所述的周长面积法计算分形维数，首先分别测出多个同类凝固组织形貌的周长（P）和面积（A），然后以lgA为横坐标，以lgP为纵坐标作点状图，并通过对图中不同数据点的线性拟合得到其斜率（S）。最后利用公式D=2×S+1这一方程得到所观察区域的凝固组织形貌的分形维数D。

相比于现有方法，本发明具有如下有益效果：

（1）能够更为细致与全面地定量反映连铸坯凝固组织的形貌特点。分形维数越大，晶粒的形貌复杂程度和自相似程度越高。

（2）能够将连铸坯不同区域凝固组织的形貌特点综合在一起对比。因为分形维数本身就包含了晶粒自身的形貌特点。