[发明专利]一种冶金液态金属成分的原位、在线检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及高温液态成分在线监控技术，具体的说是一种冶金液态金属成分的原位、在线检测装置。

背景技术

金属及合金在冶炼过程中需要检测化学成分的变化，以此控制产品质量，并判断冶炼终点。目前，由于缺乏先进的在线测量技术，冶炼过程普遍采用人工取样和制样的离线检测方式。例如，在炼钢过程中，对高温钢液的检测需要通过取样、冷却、打磨、抛光等一系列过程后，再拿到分析仪器上进行测量和分析，整个过程需要花费3～5分钟时间，占去冶炼时间的十分之一以上。这种费时的离线检测方式不仅造成质量控制落后，同时也造成大量能源浪费。

近年来，随着冶金行业生产模式的日益大型化、高速化和连续化，对原位、在线检测液态金属成分技术的需求日渐迫切，开始出现基于激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的在线检测装置。LIBS是一种利用激光激发等离子体，再利用等离子体的发射光谱进行探测的技术。由于LIBS技术不需要样品预处理，同时适用于固体、液体、气体，因此在原位、在线、快速、远程分析方面展现出卓越的应用价值。但是，现有的基于LIBS技术的熔体金属在线检测装置没有具体考虑耐高温光学探头的设计，例如针对钢液的测量，探头需要承受1700℃以上的高温，现有的检测装置无法进行测量。此外，有些非金属元素，例如C、S、P等元素，是质量控制和冶炼终点判断最重要的元素，因此对这些元素的在线测量意义重大。但是，目前现有的在线检测装置无法检测这些元素，因此应用范围狭窄。

发明内容

针对现有技术中存在探头无法承受1700℃以上的高温进行测量，在线检测装置无法检测C、S、P等元素的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种为质量控制和冶炼终点提供及时有效的信息的冶金液态金属成分的原位、在线检测装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种冶金液态金属成分的原位、在线检测装置，其特征在于：包括前端耐高温光学探头、中端信号发生和采集部分以及后端控制平台，其中：前端耐高温光学探头，其前端置入冶金液态金属中，产生光学信号送至中端信号发生和采集部分；中端信号发生和采集部分，将接收到的前端耐高温光学探头的光学信号转换成电信号，输出至后端控制平台；后端控制平台，作为人工操作和显示平台，接收中端信号发生和采集部分发送的电信号进行处理；控制中端信号发生和采集部分的激光信号、控制前端耐高温光学探头中水和气的流量。

所述前端耐高温光学探头包括内部光学通道部分、中部水冷和气冷部分和外部耐火材料部分，其中，内部光学通道部分为真空或惰性气体环境，其前端具有第1会聚透镜，其将中端信号发生和采集部分发出的激光光束通过密封的第1玻璃窗口会聚在冶金液态金属表面；中部水冷和气冷部分设于内部光学通道部分的外层，外部耐火材料部分设于中部水冷和气冷部分的外层和内部光学通道部分的前端，并在前端形成光束通道；外部耐火材料部分通过密封接口与中部水冷和气冷部分进行密封连接。

所述中部水冷和气冷部分包括冷却气层和冷却水层，其中冷却气层为外部耐火材料和内部光学通道部分形成的空间；冷却水层设于冷却气层中，为环绕于内部光学通道部分外层的中空的圆柱体，圆柱体侧壁内部空间为冷却水；气管经冷却水层穿置出，其出口位于冷却气层中。

所述气管为多个，在冷却水层中平行于圆柱体轴线环形均匀分布，多个气管在上端均通过气体缓冲器经冷却气体入口通入冷却气；所述气管的出气口对应第1玻璃窗口；所述前端耐高温光学探头末端为倒锥形，内部为正锥形空口。

所述中端信号发生和采集部分包括激光头、光谱仪、温度控制单元、探测器以及光学组件，整体安装于密封恒温箱中，其中，激光头接收后端控制平台的控制信号，发射的脉冲激光通过光学组件射向前端耐高温光学探头的第1会聚透镜；光谱仪通过光学组件接收前端耐高温光学探头采集的光信号，进行分光处理后输出至探测器；探测器将转换成的电信号输出至后端控制平台；温度控制单元通过控制线及信号线与后端控制平台相连接，采集、控制密封恒温箱中的温度。

所述光学组件包括反射镜、带孔反射镜以及第2会聚透镜，其中反射镜的入射光为激光头发射的脉冲激光，脉冲激光通过带孔反射镜的中部通孔射向前端耐高温光学探头的第1会聚透镜的光轴；带孔反射镜镜面的入射光为冶金液态金属表面产生的等离子体发射光线经第1会聚透镜折射后的光，带孔反射镜的反射光经第2会聚透镜后射至光谱仪；所述带孔反射镜可为二向色镜。

前端耐高温光学探头与中端信号发生和采集部分为一整体，安装在可以垂直方向移动的液压平台上。