编者按 板坯中心线化学偏析是石油和天然气管道、压力容器和重型结构部件等关键应用中的重要质量控制参数。目前常用的定性评估工具无法充分反映成品轧材内部的均匀性，因此本研究尝试采用自主研发的图像分析软件对中心线偏析进行更精确的定量评估。本文将阐述这款简易几何偏析定量估算工具的应用与使用方法。
前言
板坯中心线化学偏析是钢液凝固过程中由于最后合金富集的凝固熔体熔点较低而产生的自然现象。这种偏析在高碳和高合金熔体中尤为明显，会影响钢材的机械性能、韧性以及焊接性能。对于石油和天然气输送管道、储罐、压力容器以及高压罐车等关键应用而言，钢材必须具备足够的低温韧性，因此中心线偏析应尽可能减少。中心线偏析直接影响构件的整体韧性。 为消除或最大限度降低板坯中心线偏析，冶金专家开发了低碳、低合金钢的化学成分及加工工艺，以满足严格的机械性能要求。另一方面，钢铁制造商也采用了动态轻压下等技术装置，这些装置能有效控制或大幅减少偏析现象。 ASTM E381中包含多种金相检测方法，用于揭示板坯中的化学偏析。通过在板坯方向的横向截取一个全宽、全厚的试样板进行宏观蚀刻，可观察并分析偏析情况。随后将该中心线处的化学偏析情况与曼内斯曼（Mannesmann）提出的分类评级体系进行比较，该体系被广泛接受为最终用户验收的基准分类标准。曼内斯曼偏析分类系统基于对板坯横截面中心线沿纵向的偏析强度和分布情况进行定性比较，并依据图1所示的四种不同偏析强度等级进行分类。 这种比较和分类完全基于视觉判断，未经过几何校准或量化处理，因此具有高度主观性。如今，所有管材制造商都要求根据上述合格评级标准，中心线偏析等级达到2级或以上，以满足下游加工对钢材质量的要求。然而，大多数钢铁制造商对于偏析形态接近2级上限或3级下限的情况，往往难以给出明确评级。而光线不足、显微照片分辨率低、蚀刻效果模糊以及视力不佳等因素，更进一步加剧了这种判断上的犹豫。 此前有几位研究人员曾尝试对中心线偏析进行定量评估，以便基于金属单位长度、面积或体积内的偏析密度，建立一套定量评级体系。光谱能源公司已开发出一套评级指南，该指南通过测量板坯中心线上的偏析点数量和分布情况，并依据由偏析点的尺寸和数量构成的逻辑矩阵进行评分。这一指南为质量基准提供了更有效的定量方法，但由于偏析点的实际适用性和测量复杂性，目前尚未获得业界的全面支持。
定量评估方法
2.1 板坯宏观蚀刻 为研究板坯中心线偏析，通常在连铸机出口处截取全宽的板坯样品，并使用含水的盐酸溶液对横截面进行蚀刻。蚀刻过程可采用人工操作，也可通过电蚀刻装置实现自动化，主要目标是获得清晰可见的铸态结构和偏析斑点。随后获取高分辨率图像以供后续分析。为便于操作，通常将全宽坯料切割成较小部分，进行宏观蚀刻并拍摄图像。 2.2 图像处理工作流程 开发的软件具有图1所示的典型工作区。除了命令标签页外，右侧还有两个滑块，用户可上下移动以进行偏析斑点的二值化处理，并在中心线上放置分析参考点（例如长度为100mm）。 图像处理步骤如下，并在图2中演示。首先，将带有放大标记的宏观图像粘贴到仪表板上（图2a）。图像清晰地显示了中心线上的偏析斑点。为了选择感兴趣的偏析区域，需沿着偏析长度绘制一条自由曲线，该曲线不必精确覆盖偏析斑点，而是可以沿中心线自由延伸（图2b）。用户保持鼠标左键按住，移动鼠标绘制自由曲线，使其尽可能覆盖中心线。该线条无需连续，只需在可见的偏析斑点上绘制即可，见图2。对于曲线上每个点（像素），需绘制一条覆盖该点的线条。 对于线上的每个点（像素），覆盖该点上下各25个像素的线条被视为涵盖了该线上所有的偏析斑点。这是因为在实际情况下，偏析斑点通常并非呈线性分布。本软件程序会自动选择区域并进行裁剪，裁剪后的图像见图2c。裁剪有助于集中关注感兴趣的区域，并排除无关部分，避免干扰分析。 进行校准时，用户需在标尺上双击两个位置，以表示50mm（如图2b中绿色线条所示），软件将自动计算像素与毫米的换算比例。此步骤是必要的，因为软件在用户教它一个像素代表多少毫米之前，仅能识别像素的概念。绘制一条代表50mm的线可减少试验误差（误差范围在±1mm以内）。 2.3 二值化 仪表盘中提供了一个滑块，其像素范围为0-255，用于生成与原始图像最匹配的偏析区域，如图3所示。通过上下移动滑块，可在图像帧中使偏析区域从浅到深显示，用户可根据自身需求选择最佳还原效果，如图2d所示。图3b和图3c展示了滑块移动时，偏析区域过度或不足的情况。为了便于生成最佳还原（图3d），原始裁剪后的图像也会保留在图像帧中。一旦达到最佳还原效果（图3d），程序即可开始计算。
偏析定量测量
该软件采用广度优先搜索算法来计算每个孤立点的尺寸（长度、宽度、大小）。通过程序可生成多种可能性，典型的计算矩阵如下所示，并见图4中的表格形式： 偏析斑点的大小、位置或区域可按整个中心线长度的顺序依次生成。 根据光谱处理程序中的说明，可在中心线特定长度上生成偏析强度的像素比例。 还可生成像素强度比值，即在整个板坯中心线宽度范围内所有符合条件的偏析斑点面积之和与偏析区域面积的比值。 参考长度（例如100mm）可选择在偏析斑点较差的区域。在软件中，所有长度或宽度超过1mm的偏析斑点均被视为红色标记，其余则为绿色标记（图2e，图5）。若小于1mm的斑点间距小于1mm，则这些斑点将被视为一个连续的偏析区域并纳入计算。如图5所示，框架右侧的滑块可用于移动“100mm”参考位置至中心线。
讨论
行二值化处理，并对每个偏析斑点进行量化。完成最佳二值化后，即可对偏析斑点进行量化分析，使用户能够以各种数学表达式（如单位长度或偏析区域的像素比）来表示偏析情况，并与已建立的分类系统进行比较。此方法可轻松应用于基于中心线特定长度内偏析斑点大小和数量的光谱评级系统。 此外，该软件还可用于分析曼内斯曼分类系统的宏观图像，并计算每种分类等级对应的像素比。该像素比可与目标板坯的实际像素强度比进行比较，从而估算出分类等效性。曼内斯曼系统各类别中偏析的二值化与优化过程见图6。因此，可以轻松地按单位长度或面积计算出偏析率的量化值。
总结与未来工作
本研究开发了一个图形用户界面（GUI），作为集成解决方案，用于让用户对板坯宏观图像进行裁剪、二值化和滤波，并生成关于偏析斑点定量估计的报告。该GUI以可执行文件的形式打包。软件（包括关键功能）采用Python语言开发，适用于桌面使用。对于基于网络的应用，研究团队将使用C#开发另一个GUI版本。图像分析的便捷性有助于开发出用于板坯偏析评定的评分体系。
