CN103575618A - 一种铸坯中心疏松定量化的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸坯中心疏松定量化的测量方法。本发明利用疏松部位和致密部位密度不同的原理，从而对中心疏松进行定量化描述，并因此利用阿基米德原理，自主设计了铸坯密度测量装置，利用密度测量装置对铸坯的致密部位和疏松部位试样的密度测量，分别测量试样在水中和空气中质量，计算出试样的密度，从而对试样的中心疏松进行定量化描述。本发明与传统的热酸腐蚀后利用肉眼对铸坯的中心疏松进行定性评级的方法相比，具有无需腐蚀、评价精确、人为误差小、测量环境优越、结果更为直观明了等优点，从而使得本发明方法所涉及的中心疏松定量化测量结果，对现场的生产，如连铸和轧制等工序，具有更为现实的和可操作的重要的指导意义。

Description

一种铸坯中心疏松定量化的测量方法

技术领域

本发明涉及冶金领域中连铸或模铸所生产的铸坯的中心疏松定量化的测量方法，是一种精确、相对简单而实用的铸坯中心疏松的定量化评价技术。

背景技术

疏松是指铸坯在凝固末端，由于凝固收缩无法得到液相充分的补充而造成凝固结束后形成的一些微小的或者较大的孔隙。这些孔隙一般分散在连铸坯或模铸坯的中心，一般称之为中心疏松。中心疏松对产品的性能有着重要的影响。一些存在于铸坯中的较大的疏松经过轧制后，并不能完全保证将疏松焊合，尤其是在压缩比较小的情况下，这些疏松点被轧合的可能性进一步降低，进而造成探伤不合。如中厚板的轧制，其由于中心疏松而引起的探伤不合问题困扰着各大钢铁企业。因此，如何对中心疏松进行准确的评价，显得十分重要。

目前，各大钢铁企业普遍采用传统的定性评级的方法对中心疏松进行定性评价，即：首先对铸坯进行取样，然后采用腐蚀的方法并参照中华人民共和国冶金行业标准YB/T4003-1997的方法，对中心疏松进行定性评级。然而，该方法目前存在以下几个重要的缺点：（1）该方法只能对一个铸坯断面上的中心疏松进行评级，而由于切割的原因，很可能一些含有中心疏松的断面并没有别切割到，因此无法观察到中心疏松，造成中心疏松评级的误差；（2）传统的方法需要对铸坯断面进行腐蚀，而铸坯断面经过腐蚀后中心疏松很可能被腐蚀而扩大，造成中心疏松评级的恶化，从而造成误差；（3）对于一些比较难以腐蚀的钢种，如抗酸管线钢，由于钢种的抗酸性较强，难以腐蚀，因此难以对中心疏松作出正确评级；（4）对于铸坯中存在的较小的中心疏松，肉眼识别较为困难，尤其是在钢厂恶劣的环境条件下，更是难以进行识别，而随着对钢材产品要求质量的提高，这些小的中心疏松也很可能引起后续的性能不合等问题；（5）中心疏松的评级的方法人为因素很大，不同的人进行评级，其结果不尽相同，有时相差甚远，因此造成了评级结果不够客观。因此，传统的中心疏松的评级方法不够准确、误差大，对于后续的轧制工序等的生产实践的指导意义十分有限。

另外，目前原位分析的方法、电镜观察、超声波探伤等也是中心疏松的评价方法之一，然而这些方法也都同样存在着操作繁琐、只能评价铸坯的一个断面、评价误差大、设备昂贵等缺点。

综上所述，开发一种精确的、人为影响因素小、操作相对简单、实用的且对生产实践具有更好的指导意义的中心疏松评价方法和检测手段十分有必要。

发明内容

本发明是根据传统的中心疏松评价方法，如腐蚀评级的方法、原位分析方法、电镜观察等方法存在的各种不足而提出的一种操作相对简单、精度高、设备简单、人为影响因素较小的铸坯中心疏松定量化的测量技术。

本发明所涉及的中心疏松定量化的原理是根据铸坯疏松部位和致密部位的密度不同，从而对疏松进行定量评价。

本发明所涉及的中心疏松定量化方法中对于铸坯密度的测量装置是由精密电子天平、空气温度控制装置、标准液体温度控制装置、温湿度测量装置、大气压测量装置、二氧化碳浓度测量仪、质量称量装置、标准液体盛放装置以及自主编程设计的数据处理软件等设备构成。

本发明提出的一种铸坯中心疏松定量化的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

步骤一.密度测量装置的安装步骤；

步骤二.利用密度测量装置对铸坯的致密部位和疏松部位试样的密度测量步骤；

步骤三.铸坯疏松部位的单位质量疏松体积和疏松度的计算步骤；

其中，步骤二包括以下子步骤：

步骤2.1、分别获取铸坯致密部位的试样和疏松部位的试样，并进行预处理；

步骤2.2、调整密度测量装置，保证密度测量装置的恒温箱内的温度、湿度、以及气压恒定；

步骤2.3、在恒温箱中分别称量所述致密部位和疏松部位的试样在空气中的试样质量m_at和m_at,0；在恒温箱中分别称量所述致密部位和疏松部位的试样浸没在标准液体中的试样质量m_wt和m_wt,0；计算铸坯致密部位的试样和疏松部位的试样的固体密度ρ_t和ρ_t,0；

步骤三中铸坯疏松部位的单位质量疏松体积V_p和疏松度Ω按照以下方式获得：

$V_p=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_t}-\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{t,0}}$

优选地，所述步骤2.1中的预处理包括磨光、除锈、清洗。

优选地，步骤2.3中所述铸坯致密部位的试样和疏松部位的试样的固体密度ρ_t和ρ_t,0根据以下公式计算：

${\mathrm{\ρ}}_t=\frac{m_{\mathrm{at}}}{m_{\mathrm{at}}-m_{\mathrm{wt}}}({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{wt}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{at}})+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{at}}$

${\mathrm{\ρ}}_{t,0}=\frac{m_{\mathrm{at},0}}{m_{\mathrm{at},0}-m_{\mathrm{wt},0}}({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{wt}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{at}})+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{at}}$

式中，ρ_wt表示温度t时标准液体的密度；ρ_at表示温度t时空气的密度。

优选地，于恒温箱内的温度t为30±0.5℃。

优选地，步骤一包括以下子步骤：

1）将精密电子天平（2）置于恒温箱（1）；

2）将空气温度测量和控制装置（11）和标准液体温度测量和控制装置（10）安装在恒温箱中；

3）将温湿度测量装置（9）、二氧化碳浓度仪（8）和大气压测量装置（7）安装于恒温箱（1）中，同时将标准液体盛放装置（4）安置于精密电子天平（2）下方。

本发明所涉及的铸坯的中心疏松测量方法其操作和设备相对简单、成本低廉、人为影响因素小、测量结果更加准确，本发明所涉及的中心疏松测量方法与传统的中心疏松定性的评级方法相比，最大的优点在于可以对中心疏松进行定量化的描述，而且测量结果人为影响因素小、结果精确，对现场生产的连铸和轧制工序具有更为现实的可操作的重要指导意义。

本发明所涉及的中心疏松定量化的测量方法，测量装置简单易得，成本低廉、操作简单，并且可以进行批量测量；只需分别测量致密部位和疏松部位在空气中和标准液体中的质量，并且记录下当时对应的温湿度、二氧化碳浓度以及大气压等相应的参数，并通过自主编程设计的程序软件，对数据进行处理和计算，即可获得所称量试样的密度，并最终对铸坯的中心疏松进行定量化的描述和评价。经过验证，本发明所涉及的中心疏松定量化测量方法，其结果更为直观明了，人为因素更小，更能够体现铸坯真实的疏松情况。

附图说明

图1是本发明方法所涉及的密度测量装置示意图。

图2是本发明方法所涉及的密度测量试样的规格示意图。

图3是工业实验中生产的板坯采用热酸腐蚀的低倍组织结果。

图4是对应于图3的工业实验生产的板坯采用本发明方法测量的单位质量疏松体积结果。

图5是对应于图3的工业实验生产的板坯采用本发明方法测量的疏松度结果。

图中：1为恒温箱；2为精密电子天平；3为质量称量装置；4为标准液体盛放装置；5为标准液体；6为被测试样固体；7为大气压力测量装置；8为二氧化碳浓度仪；9为温湿度测量装置；10为标准液体温度测量和控制装置；11为空气温度测量和控制装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的原理进行系统的描述，并对具体实施方式进行详细的阐述。

图1是本发明所涉及的中心疏松定量化密度测量的设备示意图，其密度测量原理如下所述：

根据阿基米德原理可知，对于固体试样的密度，可以采用液中称量的办法通过计算获得其密度。然而考虑到温度和空气等对固体试样的密度的影响，本发明所涉及的密度测量方法将各个影响因素进行综合考虑，得出试样固体的密度的计算式如下式所述：

${\mathrm{\ρ}}_t=\frac{m_{\mathrm{at}}}{m_{\mathrm{at}}-m_{\mathrm{wt}}}({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{wt}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{at}})+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{at}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{t,0}=\frac{m_{\mathrm{at},0}}{m_{\mathrm{at},0}-m_{\mathrm{wt},0}}({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{wt}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{at}})+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{at}}---\left(2\right)$

式中，ρ_t和ρ_t,0表示在温度t时致密部位的试样和疏松部位的试样的固体密度；；m_at和m_at,0表示温度t时致密部位的试样和疏松部位的试样在空气中的质量；m_wt和m_wt,0表示温度t时致密部位的试样和疏松部位的试样在标准液体中的质量；ρ_wt表示温度t时标准液体的密度；ρ_at表示温度t时空气的密度。

上式的分析中，标准液体和空气的密度都随着外界温度、湿度、二氧化碳浓度以及大气压力的影响而变化，尤其是随着温度的变化最为明显，因此在测量过程中必须进行恒温操作。本发明测量过程中，将所有设备置于恒温箱中，并保证温度为30±0.5℃，从而基本排除了温度的干扰。

在测量过程中，为了尽量排除外界因素的干扰，必须对设备进行严格要求。首先，精密电子天平2的精确度要求达到毫克或毫克以上级别，称量误差必须符合国家相关标准；然后质量称量装置3也必须进行严格而精细的调试，浸没入水中的质量称量装置部分3的密度必须与标准液体的密度基本相同，从而尽可能的排除浸入标准液体中的质量称量部分3对所称量试样6的质量的影响；大气压力测量装置7、二氧化碳浓度仪8和温湿度测量装置9测量误差也必须符合国家相关标准，并且要严格保持恒温箱1内的气氛，减小称量误差；另外，在测量过程中，必须减少晃动或震动带来的质量误差的影响，因此恒温箱1必须有减震功能。

本发明所涉及的试样密度测量的实现方法如下所述：

步骤1，本发明所涉及方法的密度测量装置的安装步骤。首先将精密电子天平2置于恒温箱1中，接着将空气温度测量和控制装置11和标准液体温度测量和控制装置10通过电路连接并安装在恒温箱1内。然后将温湿度测量装置9、二氧化碳浓度仪8和大气压测量装置7安装于恒温箱1中，同时将标准液体盛放装置4安置于精密电子天平2下方合适的位置。最后将质量称量装置3与精密电子天平2进行连接，并准备好试样准备称量。这样便构成了本发明所涉及的密度测量装置。

步骤2，密度测量装置安装完成后，进行铸坯的致密部位和疏松部位试样的密度测量步骤，密度测量步骤包括以下子步骤：下面将结合图1的本发明方法所涉及的密度测量装置示意图对本发明所涉及的密度测量的具体实施步骤进行详细阐述：

步骤2.1，试样准备步骤。分别在铸坯的致密部位和疏松部位进行取样，通过线切割的方法，将致密部位和疏松部位所取试样切割成一致的规格，并将试样的表面统一进行磨光，除锈，清洗，真空保护处理。

准备好所需进行疏松测量的试样后，在同一块铸坯上切取两个部位的试样，即致密部位的试样和疏松部位的试样，如：对于连铸板坯而言，可在连铸坯坯厚的1/4左右处切取5-20mm厚度的试样作为致密部位的试样，在连铸坯坯厚的1/2左右处，即连铸坯厚度的中间位置处附近，切取5-20mm厚度试样为中心疏松试样，这样即可对中心疏松进行定量描述。试样切取完毕之后，需对试样采用磨床进行磨光和除锈处理，保证试样的表面的平整、光亮、无锈即可；然后将试样放入酒精溶液中，利用超生声波清洗仪器对试样进行清洗，以去除残留在在试样表面的杂质，保证试样的干净；最后将试样装入真空袋中进行抽真空处理，在真空状态下保存试样以备试样的称量，这样即可获得本发明疏松定量化测量方法所涉及的密度测量所使用的试样6。

步骤2.2，密度测量装置的调整步骤。待本发明所涉及的密度测量装置安装完毕以及试样准备好后，开启恒温箱电源，调整恒温箱内的温度为t，并保持恒温箱内的气压和温湿度恒定。之后对精密电子天平装置进行水平调整、校准和调零操作。打开恒温箱1的电源，同时打开空气温度控制和测量装置11的电源和标准液体温度控制和测量装置10的电源，调整恒温箱内的温度，控制温度为30±0.5℃；然后打开温湿度测量装置9、二氧化碳浓度测量仪8和大气压力测量装置7，时刻监测恒温箱内操作室的大气氛围，保证恒温，并保持恒压恒湿；最后打开精密电子天平2并安装质量称量装置3，调整精密电子天平2的水平位置，利用水平测量仪使其处于水平状态，并对精密电子天平2进行校准和调零操作。待恒温箱1内的温度和大气氛围稳定后，即可准备进行密度称量操作。

步骤2.3，试样密度的测量。待以上的设备都准备好后，将准备好的试样放置于质量称量装置中，然后在空气中称量试样的质量，紧接着，将称量装置浸入标准液体中，并将精密电子天平再一次进行调零操作。接着，将所需称量的试样在保证试样完全浸没于标准液体中后，称量试样在标准液体中的质量。记录试样在当前温度t的条件下，在空气中的质量m_at、m_at,0和在标准液体中的质量m_wt、m_wt,0，同时也可读取湿度、二氧化碳浓度和大气压力等其他数值，对所读取的数值进行处理，根据公式（1）或（2）计算所称量试样的密度ρ_t和ρ_t,0。具体为分别对致密部位和疏松部位进行质量称量，首先在空气中称量试样的质量并记录，可采用进行多次称量取平均值的方法，同时记录当时的恒温箱1内的温湿度、二氧化碳浓度和大气压力等数据；然后，将质量称量装置3浸没入标准液体5中，对精密电子天平2再进行一次调零操作，然后将试样6装入质量称量装置3中，并同时保证试样6浸没入标准液体5中，在这个过程中，务必保证试样6和质量称量装置3在浸没过程中引起的标准液体5的波动尽量的少，从而可以对试样6在标准液体5中的质量尽快地从精密电子天平2进行读数；读取试样6在标准液体5中的质量并记录数据，同时记录恒温箱1中的温湿度、二氧化碳浓度和大气压力等数据；上述标准液体可以是任意已知或者能够测量得到其密度的液体。

步骤3，将上述所有数据采集后进行数据录入和处理，即可获得铸坯疏松部位的单位质量疏松体积和疏松度。

$V_p=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_t}-\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{t,0}}---\left(3\right)$

式中：V_p为单位质量的疏松体积，表示疏松部位相对于致密部位单位质量的疏松情况；

Ω为疏松度，表示疏松部位相对于致密部位的密度差的比值，可以反映出铸坯的致密度，即相对气孔率，0≤Ω<1000‰，0表示该位置致密无疏松，Ω值越大，表明该试样的疏松越严重。结合本发明的铸坯中心疏松定量化的测量方法，在工业生产过程中，对连铸板坯进行致密部位和疏松部位取样，并对所取的试样进行传统的热酸腐蚀观察低倍组织和采用本发明方法进行中心疏松定量化测量，其结果参看图3、图4和图5。

图2为本发明方法实施例中从铸坯中切取的致密部位的试样和疏松部位的试样的规格：宽80mm-150mm，厚5mm-20mm，长30mm-100mm。并且要求试样进行严格的磨光和除锈处理，然后将试样置于酒精溶液中采用超声波清洗仪器进行清洗，最后装入真空袋进行抽真空保存。

图3为现场工业实验中采用连铸生产的板坯的密度测量试样经过热算腐蚀后的低倍组织照片，编号分别为A、B、C、D。试样所采用连铸板坯的主要化学成分如表1所示。编号为A、B、C、D的试样的测试参数如表2所示。

表1连铸板坯主要化学成分（%）

表2试样测试参数

参看图4，为对应于图3的工业实验生产的板坯试样采用本发明方法测量的单位质量疏松体积结果。编号A、B、C、D所对应的单位质量疏松体积分别为：1.31×10^-4cm³/g、1.55×10^-4cm³/g、1.20×10^-4cm³/g和0.59×10^-4cm³/g。

参看图5，为对应于图3的工业实验生产的板坯采用本发明方法测量的疏松度结果。编号A、B、C、D所对应的疏松度分别为：1.02‰、1.21‰、0.94‰和0.46‰。

参看图3、图4和图5的结果，由于传统的热酸腐蚀方法只能对铸坯的中心疏松进行定性评价，评价结果并不可靠，而采用本发明方法对铸坯中心疏松进行定量化测量的结果精确而直观明了，并且与低倍组织的腐蚀结果有略微差别，对比热酸腐蚀的低倍组织结果可知，本发明的铸坯疏松定量化测量结果更为准确、简单，更能直接反应铸坯的疏松情况，对铸坯的疏松能够进行更为全面而准确的评价。对现场的生产具有重要的指导意义。

Claims (5)

1.一种铸坯中心疏松定量化的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括： 

步骤一.密度测量装置的安装步骤； 

步骤二.利用密度测量装置对铸坯的致密部位和疏松部位试样的密度测量步骤； 

步骤三.铸坯疏松部位的单位质量疏松体积和疏松度的计算步骤； 

其中，步骤二包括以下子步骤： 

步骤2.1、分别获取铸坯致密部位的试样和疏松部位的试样，并进行预处理； 

步骤2.2、调整密度测量装置，保证密度测量装置的恒温箱内的温度、湿度、以及气压恒定； 

步骤2.3、在恒温箱中分别称量所述致密部位和疏松部位的试样在空气中的试样质量m_at和m_at,0；在恒温箱中分别称量所述致密部位和疏松部位的试样浸没在标准液体中的试样质量m_wt和m_wt,0；计算铸坯致密部位的试样和疏松部位的试样的固体密度ρ_t和ρ_t,0； 

步骤三中铸坯疏松部位的单位质量疏松体积V_p和疏松度Ω按照以下方式获得： 

。

2.如权利要求1所述的铸坯中心疏松定量化的测量方法，其特征在于：所述步骤2.1中的预处理包括磨光、除锈、清洗。 

3.如权利要求1所述的铸坯中心疏松定量化的测量方法，其特征在于，步骤2.3中所述铸坯致密部位的试样和疏松部位的试样的固体密度ρ_t和ρ_t,0根据以下公 式计算： 

式中，ρ_wt表示温度t时标准液体的密度；ρ_at表示温度t时空气的密度。 

4.如权利要求1所述的铸坯中心疏松定量化的测量方法，其特征在于恒温箱内的温度t为30±0.5℃。 

5.如权利要求1所述的铸坯中心疏松定量化的测量方法，其特征在于步骤一包括以下子步骤： 

1）将精密电子天平（2）置于恒温箱（1）； 

2）将空气温度测量和控制装置（11）和标准液体温度测量和控制装置（10）安装在恒温箱中； 

3）将温湿度测量装置（9）、二氧化碳浓度仪（8）和大气压测量装置（7）安装于恒温箱（1）中，同时将标准液体盛放装置（4）安置于精密电子天平（2）下方。 

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