基于激光火花光譜法的鋼水質量在線檢測儀制造技術

本實用新型專利技術涉及自動測量技術領域，具體是一種基于激光火花光譜法的鋼水質量在線檢測儀。解決了現有鋼水成分檢測方法不能滿足進行快速在線監測要求、所測元素種類有限等問題，包括：光探針、升降單元、由激光器和真空紫外光譜儀構成的ＬＳＳ單元、信號處理控制單元，光探針包括檢測光通道，檢測光通道包含兩設置于豎直筒狀殼體內的平凸鏡，豎直筒狀殼體下方設有倒喇叭狀槍頭，豎直筒狀殼體外設有循環水管路、氣體管路，檢測光通道與激光器的激光發出口、光譜儀的光譜采集口之間分別設有入射光通道、出射光通道。以合理、緊湊的結構實現了激光火花光譜法在鋼水成分在線監測方面的應用，可以對煉鋼爐內鋼水中的多種元素進行精確和快速的定量分析。（*該技術在2018年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及自動測量
，具體是一種對煉鋼爐內鋼水中多種元 素含量進行在線監測的基于激光火花光譜法的鋼水質量在線檢測儀。
技術介紹
鋼是以鐵、碳為主要成分的合金，是經濟建設中極為重要的金屬材料，其 品種和質量完全取決于其成品中各元素的含量?，F代工業生產中對鋼材料的質 量要求越來越高，促使鋼鐵企業不斷尋求可以精確測量鋼水成分和實現冶煉過程控制的新技術和新方法；同時，由于鋼鐵企業間的激烈競爭，又促使鋼鐵企 業需要實現其生產過程的高速化、連續化和自動化，以縮短冶煉周期和降低廢 品率，節能降耗，提高生產效率。因此，在鋼鐵冶煉的各個工藝環節中(包括 鐵水預處理、二次精煉及連鑄等)，如何能夠實現對鋼水中各微量元素含量進 行在線精確監測，進而對冶煉過程進行相應控制就成為現代鋼鐵企業確保其產 品質量并實現節能增效的關鍵性問題。我國鋼鐵企業對鋼水中各微量元素含量進行檢測所采用的傳統成分分析 方法主要為化學分析法(即濕法分析)，其過程為首先要從爐內取樣并將之固化，然后送入化驗室，再經過樣品制備(使其轉化為物理化學態以便于對各 個元素進行分析)和雜質分離(在酸中進行逐步分解并提取出不溶物質)后， 最后進行各元素的成分測定。這種方法雖然精度很高，但卻工序復雜，對環境要求苛刻，人為因素較大，且嚴重滯后于爐內的冶煉反應(約30分鐘)，從而導致能源和原材料的浪費。目前在鋼鐵企業中也已經應用的一些臨線分析方 法氣體紅外吸收光譜法(通過測量反應生成的C02、 S02含量來計算鋼中相應的碳含量和硫含量)、陰極溶出伏安法(CSV，例如通過測量反應生成的H^ 含量來決定鋼中的含硫量)、燃燒法、火焰離子檢測法(FID)及電感耦合等 離子體法(ICP)等。其中，前兩種方法雖然檢測精度較高，但所測元素種類 很有限，且需時常更換試劑；后三種方法由于需要取樣及樣品制備，因此會使 煉鋼過程中斷且測量時間較長(約10分鐘)，致使其測量次數有限，無法實現 實時在線監測。此外，也有其它少數一些在線分析儀器在鋼鐵企業中得到應用， 如X射線熒光光譜法(XRF)、中子活化分析法(PGNAA)及微波檢測法等。 這些分析儀器的檢測速度都較快(1 2分鐘)，但卻都有各自一些限制因素。 其中，XRF法難以分析一些對鋼質具有重要意義的輕元素(如C元素等)和金 屬元素；PGNAA法采用放射源作為檢測激發源，不僅日常維護保養難度高， 且對人體及周邊環境有輻射危害；微波檢測法的檢測結果易受水分的干擾，并 且微波的頻率容易漂移，導致其檢測精度較低。由此可見，上述各種檢測方法 已難滿足對鋼水質量進行快速在線監測的要求，研發新型有效的鋼水質量在線 監測技術已成為當務之急。20世紀后期發展起來的激光火花光譜法(LSS)是一種全新的物質元素分 析方法，其原理是將一束高能脈沖激光聚焦到樣品上，使樣品表面迅速燒蝕形 成火花，通過測量該火花的發射光譜，從而精確測得樣品中各元素含量。LSS 法作為一門新興的檢測技術不僅避免了上述檢測方法的各種缺點，并且具有速 度快、精度高、靈敏度高、多元素同時測量、重復性好、無輻射及成本低等優 點，因此可以作為對鋼水質量進行快速在線監測的最佳選擇。例如美國專利US6762835中公開了一種利用該LSS法對冶金爐內熔融態鋁中的Cu、 Cr、 Mn、 Mg、 Fe、 Al、 Zn、 Ni等金屬元素進行成分檢測的裝置，該裝置中激光通過一 個圓柱管從爐頂向下垂直入射至金屬液面，但這種裝置并不適用于對工業煉鋼 爐內鋼水的檢測，因為工業煉鋼爐內的高溫會損壞檢測設備，并且爐內鋼水表 面漂浮有很厚的廢渣，使激光無法直接作用于鋼水表面進行檢測；美國專利US 6909505中也公開了一種利用LSS法對冶煉爐內熔融態或液態物質中的Fe、 Al 等金屬元素成分含量進行在線監測的裝置，該裝置首先通過管道向爐側壁方向 熔融物質中吹入高壓惰性氣體以形成氣泡，然后高能脈沖激光經過該管道入射 至氣泡內并在其內壁激發產生火花以進行檢測，但由于工業煉鋼爐內液面的高 低變化會使形成的氣泡大小不一，導致火花形成位置的不確定性，因此會降低 熒光的收集效率和檢測精度。除此之外，上述兩個專利中應用LSS法的檢測裝 置無法實現對鋼鐵中C、 S、 P這三種特征發射譜線位于紫外波段的重要元素進 行定量分析。國內也有和LSS法相關的專利公開，例如公開號為CN1227632A、 CN1908626A、 CN1811385A、 CN1912588A和CN1480722A等專利技術專利和 CN2869853Y等技術專利，但這些專利或專利申請的技術方案都無法實現 快速在線監測工業煉鋼爐中鋼水成分的目的。
技術實現思路
本技術為了解決現有鋼水成分檢測方法不能滿足進行快速在線監測 要求、所測元素種類有限等問題，提供了一種能對煉鋼爐鋼水中多種微量元素 (包括C、 S、 P、 Cr、 Ni和Si等)含量進行快速在線監測的基于激光火花光譜 法的鋼水質量在線檢測儀。本技術是采用如下技術方案實現的基于激光火花光譜法的鋼水質量在線檢測儀，包括光探針、使光探針置于煉鋼爐上方并控制光探針升降的升降單元、由激光器和真空紫外光譜儀構成的LSS單元、以及與LSS單元真空紫 外光譜儀連接的信號處理控制單元，LSS單元中激光器的觸發口和真空紫外光 譜儀連接，光探針包括檢測光通道，檢測光通道包含兩平行設置的上平凸鏡、 下平凸鏡，兩平凸鏡設置于豎直筒狀殼體內，底端設有平面窗口，豎直筒狀殼 體下方設有倒喇叭狀槍頭，豎直筒狀殼體外設有與受信號處理控制單元控制的 循環水裝置連接的循環水管路，以及進氣口與受信號處理控制單元控制的氬氣 發生裝置連接、出氣口與槍頭連通的氣體管路，光探針的檢測光通道與激光器 的激光發出口、真空紫外光譜儀的光譜采集口之間分別設有置于密閉殼體中的 入射光通道、出射光通道，豎直筒狀殼體和密閉殼體分別連接有受信號處理控制單元控制的真空泵i、真空泵n。檢測光通道的豎直筒狀殼體頂端中央設有位于上平凸鏡焦點處的光纖耦合器III;所述出射光通道包括兩垂直設置于密閉殼體內且軸線重合的左凸透鏡和右凸透鏡，密閉殼體上設有兩分別位于上述兩凸透鏡焦點處的光纖耦合器 I、 II，位于真空紫外光譜儀側的光纖耦合器I經光纖與真空紫外光譜儀的光譜采集口連接，位于光探針檢測光通道側的光纖耦合器n經光纖與檢測光通道豎直筒狀殼體頂端的光纖耦合器III連接；所述入射光通道包括設置于密閉殼體 上與激光器激光發出口正對的平面窗口 、鏡面與平面窗口正對且呈45度角設置的鍍鋁反射鏡、設置于出射光通道兩凸透鏡之間與鍍鋁反射鏡平行的二向色 鏡，平面窗口與鍍鋁反射鏡之間設置有一對平凹鏡和平凸鏡。為防止信號處理控制單元與真空紫外光譜儀的地相連而造成危險，信號處 理控制單元與真空紫外光譜儀之間的觸發信號線上設置有光耦合器。檢測時，由信號處理控制單元產生一定頻率的TTL方波信號，經過光耦合 器進行轉換后，由觸發信號線對真空紫外光譜儀進行觸發，而光譜儀將該方波 信號的上升沿作為計時起點，同時響應相同數目和頻率的、脈寬僅為數微秒的 脈沖信號來觸發激光器。激光器發出的脈沖激光經過平面窗口進入密閉殼體 內，經構成激光擴束系統的平凹鏡和平凸鏡擴束后(擴束的目的是為了減少氣 體的電離本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于激光火花光譜法的鋼水質量在線檢測儀，其特征在于包括：光探針（１）、使光探針（１）置于煉鋼爐（３６）上方并控制光探針（１）升降的升降單元（３）、由激光器（２８）和真空紫外光譜儀（３５）構成的ＬＳＳ單元（２）、以及與ＬＳＳ單元（２）真空紫外光譜儀（３５）連接的信號處理控制單元（５），ＬＳＳ單元（２）中激光器（２８）的觸發口和真空紫外光譜儀（３５）連接，光探針包括檢測光通道，檢測光通道包含兩平行設置的上平凸鏡（２０）、下平凸鏡（２６），兩平凸鏡（２０、２６）設置于豎直筒狀殼體（１９）內，底端設有平面窗口（２７），豎直筒狀殼體（１９）下方設有倒喇叭狀槍頭（２４），豎直筒狀殼體（１９）外設有與受信號處理控制單元（５）控制的循環水裝置（５０）連接的循環水管路（２３），以及進氣口與受信號處理控制單元（５）控制的氬氣發生裝置（４９）連接、出氣口與槍頭（２４）連通的氣體管路（２２），光探針（１）的檢測光通道與激光器（２８）的激光發出口、真空紫外光譜儀（３５）的光譜采集口之間分別設有置于密閉殼體（１２）中的入射光通道（６）、出射光通道（２１），豎直筒狀殼體（１９）和密閉殼體（１２）分別連接有受信號處理控制單元（５）控制的真空泵Ⅰ（４８）、真空泵Ⅱ（４７）。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張雷，趙延霆，
申請(專利權)人：張雷，趙延霆，
類型：實用新型
國別省市：14[中國|山西]