一种定量描述品种钢连铸坯凝固组织形貌特征的方法

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。

（3）能够更好的跟连铸坯的内部质量及缺陷相关联。连铸坯缺陷跟凝固组织晶粒的形貌特点紧密相关。由于分形维数能够更为细致与全面的反映晶粒的形貌，因此就能利用这一新方法来更好的研究连铸坯质量跟凝固组织的关系。同种条件下，分形维数越大，凝固组织越均匀、越致密，缺陷发生程度越低。

附图说明

图1 为实际品种钢连铸坯的凝固组织；

图2为图1中不同区域凝固组织的分形维数；

图3 为分形维数与缺陷等级的关系图。

具体实施方式

实施例：

1）利用酸液容积比为1:0.5-1.5的盐酸水（工业盐酸)溶液对品种钢连铸坯的横断面进行热酸洗实验，酸蚀温度在60℃至80℃的范围，酸蚀时间为5-35min；热酸洗之后，利用高清数码相机拍照，获得该横断面连铸坯凝固组织的整体形貌；如图1所示。由于连铸坯不同组成对酸蚀溶液的反应程度不一，因此酸洗之后将呈现连铸坯横断面的凝固组织形貌；便于拍摄清晰的照片和之后选取测量点。

2）图1中的凝固组织由激冷层、柱状晶与等轴晶三个不同的区域组成，外侧是激冷层区域，在冷却时与连铸结晶器内侧壁接触，快速散热、冷却，而形成激冷层；激冷层内侧是柱状晶区域，柱状晶内侧（处于中间核心区域，属于最后冷却的区域）形成等轴晶区域。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，获得这些测量点的典型凝固组织晶粒，即获得该测量点的典型凝固组织。图中从这三个区域内共选择八个不同的位置点（如图2所示）。其中的（1）号与（8）号属于激冷层区域，（2）与（7）属于柱状晶区域，（3）至（6）属于等轴晶区域。然后，从这八个位置点分别选取足够数量的典型凝固组织晶粒。

3）分别利用分形理论中的数盒子法或/和周长面积法计算八个不同位置点典型凝固组织晶粒的分形维数，分别计算得到对应的分形维数；如果同时采用数盒子法与周长面积法计算，则对两种方法的计算值取平均值。通过对拍照获得的整体形貌图进行处理，利用计算机程序按照设定的步骤和方法就能识别每个选取的典型凝固组织晶粒（测量点），然后获得该典型凝固组织晶粒的相关参数，并能将相关参数带入数盒子法或/和周长面积法，从而计算得到每个典型凝固组织晶粒的分形维数。该方法配合使用的计算机程序，不是本发明的创新点，而且本领域的技术人员根据需要能够编制该程序，故在此不做进一步描述。经计算最后的取平均值结果如图3所示，激冷层内等轴晶的分形维数D在2.6至2.9的范围，等轴晶区域内等轴晶的分形维数在2.1至2.7的范围且波动较大，柱状晶区域内晶粒的分形维数在2.8至3.0的范围。

4）图3为八个不同位置点缺陷等级与分形维数的关系。可见，二者成很好的负相关性。

本发明的数盒子法，其计算分形维数，用S1与S2这两种不同边长的盒子（正方形）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。

本发明的所述的周长面积法，其计算分形维数，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。

本发明，利用这种新的定量描述方法来衡量凝固组织形貌的复杂程度与自相似程度。能够更好的跟连铸坯的内部质量及缺陷相关联。连铸坯缺陷跟凝固组织晶粒的形貌特点紧密相关。由于分形维数能够更为细致、更有代表性的反映晶粒的形貌，因此就能利用这一新方法来更好的研究连铸坯质量跟凝固组织的关系。同种条件下，分形维数越大，凝固组织越均匀、越致密，缺陷发生程度越低。

本发明采用的数盒子法（BOX-COUNTING  METHOD），是一种常用的计算分形图形分维的实用方法；取边长为r的小盒子（可以理解为拓扑维为d的小盒子，把分形覆盖起来，由于分形内部有各种层次的空洞和缝隙，故有些小盒子是空的，有些小盒子覆盖了分形的一部分，计算多少小盒子不是空的，所得的“非空”（non-empty）盒子数记为N（r），然后缩小盒子的尺寸r，所得N（r）自然增大；当，r→0时，得到数盒子法定义的分维关系。本发明采用周长面积法（PERIMETER-AREA METHOD），是一种常用的计算分形图形分维的实用方法，其在得到不同凝固组织的周长与面积之后就可以计算。对于数盒子方法与周长面积法，是一种现有技术，也是一种成熟理论，具体可参阅《分形几何学》，地震出版社2005年出版，陈颙、陈凌编著。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。