本发明涉及一种连铸坯枝晶生长方向的预测方法，属于钢铁冶金连铸技术领域。
背景技术：
钢连铸过程中，过热钢水通过浸入式水口从中间包浸入结晶器，在结晶器冷却水激冷作用下形成初凝坯壳，然后在铸辊牵引力作用下进入二冷区继续冷却，最终铸坯内部钢液完全凝固。钢连铸过程中随着钢液温度的逐渐降低，当钢液温度低于钢形核温度时，钢液中将逐渐产生晶核并长大，枝晶生长过程受铸坯凝固传热和钢液流动影响，枝晶实际生长方向往往偏离垂直方向。同时，枝晶生长过程中伴随着钢中溶质在不同相之间的重新分配，由于钢中溶质元素在固相中的溶解度低于在液相中的溶解度，所以凝固过程中，枝晶从铸坯表面向中心生长的同时伴随着溶质元素向枝晶臂壁间富集，如果富集在枝晶臂间的溶质元素在凝固末期不能有效扩散，将会造成短距离(10～100μm)溶质成分波动形成枝晶间微观偏析。连铸过程中凝固收缩造成钢液流动、热和溶质梯度引起的浮力造成的流动、电磁搅拌引起的强制对流、自由晶粒的运动、热应力和外力引起的坯壳变形造成的流动等，造成铸坯两相区内偏析的液相和固相流长距离运动从而引起铸坯较大范围内的溶质成分波动从而形成铸坯宏观偏析。为此，定量表征连铸坯中柱状晶生长方向，对于阐明连铸坯凝固组织生长和溶质偏析行为至关重要。同时，能够为连铸坯凝固组织和成分均质化控制提供理论指导。
然而，传统连铸坯枝晶生长角的测量，一般通过铸坯枝晶腐蚀检测，测量铸坯枝晶生长方向，实测铸坯枝晶生长方向都为二维枝晶生长方向。而实际铸坯枝晶生长方向应该为三维生长方向，现有的测量手段所检测的二维枝晶生长方向不能真实反映铸坯枝晶实际生长方向。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种连铸坯枝晶生长方向的预测方法，该方法减小了一次枝晶间距的计算误差，能更好的表征凝固组织，阐明连铸坯凝固组织生长和溶质偏析行为。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种连铸坯枝晶生长方向的预测方法，其包括如下步骤：
S1、在连铸坯中切取枝晶形貌全部为柱状晶的小方块，并将其切割为两部分六面体，其中被切割开的那一面作为内表面，再沿各自的体对角线切开，对得到的六面体连铸坯试样的上表面、左表面、右表面、内表面和斜截面做枝晶腐蚀实验；
S2、根据步骤S1获得腐蚀结果，测量统计各个面的一次枝晶间距的平均值及斜截面的面积和晶粒个数；其中，所述上表面和内表面枝晶间距统计值记为λ11、λ12，所述左表面和右表面枝晶间距统计值的平均值记为λ3，所述斜截面面积记为A，所述斜截面晶粒个数记为N；
S3、根据步骤S2获得的所述λ11、λ12、λ3及如下公式(1)、(2)和(3)获得枝晶的生长方向的水平偏转角α和垂直偏转角β及实际一次枝晶间距λ；
λ11cosα＝λ (1)
λ12cosβ＝λ (2)
S4、根据步骤S3计算获得的所述水平偏转角α和垂直偏转角β和如下公式(4)获得柱状晶的生长方向的偏转角θ；用于定量表征连铸坯中一次枝晶的生长方向，
tanθ＝cosαtanβ (4)。
如上所述的预测方法，优选地，在步骤S1中，所述枝晶腐蚀实验，包括如下步骤：
S101、清洗干净上述切割后的连铸坯试样，再用酒精冲洗后吹干；
S102、将所述步骤S101中吹干后的连铸坯试样置于60～70℃的水中预热；
S103、将预热后的所述连铸坯试样置于预热后的盐酸溶液中，并进行水浴，30～60min后取出连铸坯试样，用碱水冲洗后，再用无水乙醇清洗表面后用吹筒吹干。
如上所述的预测方法，优选地，在步骤S101中，所述清洗采用洗洁精清洗。
如上所述的预测方法，优选地，在步骤S103中，所述盐酸溶液的摩尔浓度为5～8mol/L，所述预热和水浴的温度为60～70℃。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明的方法是基于铸坯枝晶腐蚀检测和二维枝晶生长方向测量为一体进行预测一次枝晶的生长方向，能够准确地预测铸坯枝晶实际生长方向，真实反映铸坯枝晶实际生长方向。
本发明提供了一种连铸坯中一次枝晶生长方向的预测方法，建立三维立体坐标系中，然后确定枝晶生长方向的偏转角，利用数学的空间几何知识寻找等量关系，建立了连铸坯一次枝晶的生长方向的偏转角、各个面上的一次枝晶间距和实际一次枝晶间距的定量关系和斜截面上的面积、晶粒个数、一次枝晶间距以及一次枝晶的生长方向的偏转角；最终确定柱状晶的生长方向的偏转角。这为定量化表征一次枝晶生长方向提供了理论支持，避免了二维的一次枝晶生长方向存在误差的缺点，定量表征连铸坯中枝晶生长方向，对阐述连铸坯凝固组织生长和溶质偏析行为具有重要的意义；同时能够为连铸坯凝固组织和成分均质化控制提供理论指导。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为切样示意图；
图3为柱状晶的生长方向示意图；
图4为实施例2中连铸坯切割后试样的照片；
图5为试样上表面枝晶腐蚀图；
图6为试样内表面枝晶腐蚀图；
图7为试样左表面枝晶腐蚀图；
图8为试样右表面枝晶腐蚀图；
图9为试样斜截面枝晶腐蚀图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
一种连铸坯中一次枝晶生长方向的预测方法，如图1所示，其包括如下步骤：
步骤1：切割钢样，进行枝晶腐蚀
为了清晰看出枝晶，选取晶粒较大的柱状晶区域，在连铸坯中切取枝晶形貌全部为柱状晶的小方块，并将其切割为两部分获得两个六面体，切割的一面做为内表面，再将六面体沿各自的体对角线切开，切样示意图如图2所示，其中EFGH为上表面，CDHG为内表面，ADHE为左表面，BCGF为右表面，CDEF为斜截面，对各表面及斜截面做枝晶腐蚀实验并拍照记录。
步骤2：根据枝晶腐蚀结果图，测量统计各个面上的一次枝晶间距和斜截面上的面积和晶粒个数。将λ11、λ12分别表示为上表面和内表面枝晶间距统计值，λ3为左右表面枝晶间距统计值的平均值，A为斜截面面积，N为斜截面晶粒个数。对于枝晶腐蚀结果图，可通过常规的图像处理软件就能够进行测量统计获得各个面上的一次枝晶间距和斜截面上的面积和晶粒个数。
步骤3：通过空间几何关系进行计算
枝晶的生长方向存在着水平偏转角和垂直偏转角，将柱状晶的生长方向示意图放在三维立体坐标系中，如图3所示，其中，AG为实际生长方向，∠CAG为一次枝晶生长方向的偏转角θ，∠CAD为水平偏转角α，∠CBG为垂直偏转角β。通过计算水平偏转角α和垂直偏转角β来确定一次枝晶的生长方向，实际一次枝晶间距表示为λ。
根据凝固组织一次枝晶间距的空间几何关系，使用数学方法计算水平偏转角α和垂直偏转角β及实际一次枝晶间距λ，计算方程如下：
λ11cosα＝λ (1)
λ12cosβ＝λ (2)
步骤4：得出更为准确的一次枝晶间距和最优生长方向偏转角
具体根据步骤3计算出来的偏转角α和β，确定一次枝晶的生长方向，即确定柱状晶的生长方向的偏转角θ，如图3中所示的θ，计算公式如公式(4)所示：
tsnθ＝cosαtanβ (4)
该方法为定量化表征一次枝晶生长方向提供了理论支持，避免了二维的一次枝晶生长方向存在误差的缺点，定量表征连铸坯中枝晶生长方向，对阐述连铸坯凝固组织生长和溶质偏析行为具有重要的意义；同时能够为连铸坯凝固组织和成分均质化控制提供理论指导。
实施例2
本实施例是在实施例1基础上的具体应用，具体步骤如下：
步骤1：在连铸坯中切取枝晶形貌全部为柱状晶的小方块，并将其切割为两部分，对得到的两个六面体的上表面，左、右表面和内表面，再沿对角线切开，对各表面和斜截面做枝晶腐蚀实验并拍照记录，切割后的试样如图4所示，并将两个六面体标号为i号试样和ii号试样。
其中，枝晶腐蚀实验可采用实验室试验，所用的仪器为水浴装置、1000ml烧杯等，试剂为浓盐酸、水。
实验步骤如下：
1)打开水浴装置，设置温度为65℃；
2)用洗洁精清洗干净上述切割后的连铸坯试样，再用酒精冲洗后吹干；其中，因连铸坯表面会有防锈油，如果直接腐蚀试验，很难控制腐蚀时间，得到的效果不佳，所以采用洗洁精清除连铸坯上的防锈油，采用酒精是为了防止氧化生锈；
3)将处理好的连铸坯试样置于水中预热，注意将水没过表面，防止铸坯表面生锈；
4)配置浓盐酸(摩尔浓度为12mol/L)与水1:1的溶液，并使用水浴加热至65℃；
5)将步骤3)中预热后的连铸坯试样置于步骤4)中配置的盐酸溶液中，水浴40分钟后取出铸坯样，用碱水冲洗后，再用无水乙醇清洗表面后用吹筒吹干。
步骤2：根据枝晶腐蚀结果图，如图5-9所示，其中，图5中，(ai)为i号试样上表面枝晶腐蚀图，(aii)为ii号试样上表面枝晶腐蚀图；图6中，(bi)为i号试样内表面枝晶腐蚀图，(bii)为ii号试样内表面枝晶腐蚀图；图7中，(ci)为i号试样左表面枝晶腐蚀图，(cii)为ii号试样左表面枝晶腐蚀图；图8中，(di)为i号试样右表面枝晶腐蚀图，(dii)为ii号试样右表面枝晶腐蚀图；图9中，(ei)为i号试样斜截面枝晶腐蚀图，(eii)为ii号试样斜截面枝晶腐蚀图。测量的各个面的一次枝晶间距的平均值和斜截面的面积及斜截面晶粒个数，λ11、λ12、λ3、A和N的具体数据如表1所示。
步骤3：根据凝固组织一次枝晶间距的空间几何关系，利用公式(1)、(2)、(3)计算偏移角α和β及实际一次枝晶间距λ，结果见表1。
表1测量和计算结果
步骤4：根据公式(4)及步骤3中得出试样i、ii实际的一次枝晶的偏转角分别为7.54°和2.72°，准确预测一次枝晶生长方向的偏转角，定量表征连铸坯中一次枝晶的生长方向。
总体而言，本发明方法首先选取连铸坯中枝晶形貌全部为柱状晶的小方块，沿其对角面进行切割，统计各个面上的一次枝晶间距和斜截面的面积和晶粒个数，结合数学的空间几何关系建立关系式，并以此计算出实际的一次枝晶的水平偏转角和垂直偏转角，在此基础上，得出枝晶的生长方向更好地阐明连铸坯凝固组织生长和溶质偏析行为，同时能够为连铸坯凝固组织和成分均质化控制提供理论指导。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。