[实用新型]基于激光火花光谱法的钢水质量在线检测仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及自动测量技术领域，具体是一种对炼钢炉内钢水中多种元素含量进行在线监测的基于激光火花光谱法的钢水质量在线检测仪。

背景技术

钢是以铁、碳为主要成分的合金，是经济建设中极为重要的金属材料，其品种和质量完全取决于其成品中各元素的含量。现代工业生产中对钢材料的质量要求越来越高，促使钢铁企业不断寻求可以精确测量钢水成分和实现冶炼过程控制的新技术和新方法；同时，由于钢铁企业间的激烈竞争，又促使钢铁企业需要实现其生产过程的高速化、连续化和自动化，以缩短冶炼周期和降低废品率，节能降耗，提高生产效率。因此，在钢铁冶炼的各个工艺环节中(包括铁水预处理、二次精炼及连铸等)，如何能够实现对钢水中各微量元素含量进行在线精确监测，进而对冶炼过程进行相应控制就成为现代钢铁企业确保其产品质量并实现节能增效的关键性问题。

我国钢铁企业对钢水中各微量元素含量进行检测所采用的传统成分分析方法主要为化学分析法(即湿法分析)，其过程为：首先要从炉内取样并将之固化，然后送入化验室，再经过样品制备(使其转化为物理化学态以便于对各个元素进行分析)和杂质分离(在酸中进行逐步分解并提取出不溶物质)后，最后进行各元素的成分测定。这种方法虽然精度很高，但却工序复杂，对环境要求苛刻，人为因素较大，且严重滞后于炉内的冶炼反应(约30分钟)，从而导致能源和原材料的浪费。目前在钢铁企业中也已经应用的一些临线分析方法：气体红外吸收光谱法(通过测量反应生成的CO₂、SO₂含量来计算钢中相应的碳含量和硫含量)、阴极溶出伏安法(CSV，例如通过测量反应生成的H2S含量来决定钢中的含硫量)、燃烧法、火焰离子检测法(FID)及电感耦合等离子体法(ICP)等。其中，前两种方法虽然检测精度较高，但所测元素种类很有限，且需时常更换试剂；后三种方法由于需要取样及样品制备，因此会使炼钢过程中断且测量时间较长(约10分钟)，致使其测量次数有限，无法实现实时在线监测。此外，也有其它少数一些在线分析仪器在钢铁企业中得到应用，如X射线荧光光谱法(XRF)、中子活化分析法(PGNAA)及微波检测法等。这些分析仪器的检测速度都较快(1～2分钟)，但却都有各自一些限制因素。其中，XRF法难以分析一些对钢质具有重要意义的轻元素(如C元素等)和金属元素；PGNAA法采用放射源作为检测激发源，不仅日常维护保养难度高，且对人体及周边环境有辐射危害；微波检测法的检测结果易受水分的干扰，并且微波的频率容易漂移，导致其检测精度较低。由此可见，上述各种检测方法已难满足对钢水质量进行快速在线监测的要求，研发新型有效的钢水质量在线监测技术已成为当务之急。

20世纪后期发展起来的激光火花光谱法(LSS)是一种全新的物质元素分析方法，其原理是将一束高能脉冲激光聚焦到样品上，使样品表面迅速烧蚀形成火花，通过测量该火花的发射光谱，从而精确测得样品中各元素含量。LSS法作为一门新兴的检测技术不仅避免了上述检测方法的各种缺点，并且具有速度快、精度高、灵敏度高、多元素同时测量、重复性好、无辐射及成本低等优点，因此可以作为对钢水质量进行快速在线监测的最佳选择。例如：美国专利US 6762835中公开了一种利用该LSS法对冶金炉内熔融态铝中的Cu、Cr、Mn、Mg、Fe、Al、Zn、Ni等金属元素进行成分检测的装置，该装置中激光通过一个圆柱管从炉顶向下垂直入射至金属液面，但这种装置并不适用于对工业炼钢炉内钢水的检测，因为工业炼钢炉内的高温会损坏检测设备，并且炉内钢水表面漂浮有很厚的废渣，使激光无法直接作用于钢水表面进行检测；美国专利US6909505中也公开了一种利用LSS法对冶炼炉内熔融态或液态物质中的Fe、Al等金属元素成分含量进行在线监测的装置，该装置首先通过管道向炉侧壁方向熔融物质中吹入高压惰性气体以形成气泡，然后高能脉冲激光经过该管道入射至气泡内并在其内壁激发产生火花以进行检测，但由于工业炼钢炉内液面的高低变化会使形成的气泡大小不一，导致火花形成位置的不确定性，因此会降低荧光的收集效率和检测精度。除此之外，上述两个专利中应用LSS法的检测装置无法实现对钢铁中C、S、P这三种特征发射谱线位于紫外波段的重要元素进行定量分析。国内也有和LSS法相关的专利公开，例如：公开号为CN1227632A、CN1908626A、CN1811385A、CN1912588A和CN1480722A等发明专利和CN2869853Y等实用新型专利，但这些专利或专利申请的技术方案都无法实现快速在线监测工业炼钢炉中钢水成分的目的。