CN100516840C

CN100516840C - 钢液成分监测与分析装置

Info

Publication number: CN100516840C
Application number: CNB2007101687162A
Authority: CN
Inventors: 陆继东; 谢承利; 李勇; 杨立飞; 李捷; 李鹏艳
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2027-12-10
Also published as: CN101183074A

Abstract

钢液成分监测与分析装置，属于钢液分析装置，目的在于在线监测炼钢过程，直接准确地进行终点判断。本发明包括检测探头、伸缩管、信号发生及采集部分和处理机，检测探头结构为：金属圆筒内部悬空装配聚焦透镜，金属圆筒前端装配有两个电极；伸缩管采用关节式钢管外套，内空管道通过传导光纤、气体管道以及导线；信号发生及采集部分包括激光控制器、激光发生器、光路耦合部件、光谱仪、电荷耦合装置CCD、送风机、检测探头定位控制电路；处理机接收电荷耦合装置CCD传输的电信号，进行A/D转换后处理分析光谱数据；控制激光发生器的启停与电荷耦合装置CCD的参数设置。本发明体积小，现场安装方便，分析速度快，适用于转炉、平炉以及炉外精炼等工艺过程。

Description

钢液成分监测与分析装置

技术领域

本发明属于钢液分析装置，用于炼钢过程钢液的成分在线监测以及终点判断。

背景技术

冶金生产的日益大型化、高速化和连续化要求及时、快速地得到分析信息，必须进行复杂的过程分析。以炼钢为例，现代化的钢铁厂，从铁水预处理、转炉吹炼、炉外精炼或连铸，在全过程中至少要分析13件次以上，一般要求在几分钟内甚至希望立即得到结果。现代化的冶炼过程不仅要求成分分析能及时、快速地反映出冶炼过程的变化，而且期望能更准确地判断冶炼的终点，以提高所冶炼钢种的命中率。一些钢铁厂往往将冶炼钢种的成分控制在下限，称之为“临界控制”，这样可以大大节约原材料，降低成本。

为判断炼钢过程的终点，就要快速、及时地测定钢中的含碳量，目前广泛采取的方法有三种：

1.目测法(经验方法)，该法是经验的总结，根据炼钢炉口的火焰，钢样的火花及表面等，判断钢种的含碳量。该法主要用于早期的炼钢厂，判断精度较差，对操作工的技术经验依赖度高，并不适合自动化冶炼的发展需求，现在一些落后的小型钢厂仍然在采用。

2.副枪法，该方法是在转炉吹炼接近终点时通过机械向炉内插入测温定碳探头，实际是一个带热电偶的样杯。它的测定过程是在探头离开钢液时完成的。依据样杯冷却过程中的碳析晶温度曲线来判断钢液中碳的含量，测得的含碳量须乘以校准系数才是实际含碳量。这种方法的优点是可以准确地获得转炉钢水的碳温信息，缺点是周期长，全过程一般需要5～6min，而且只能获得某一时刻的钢水信息，不能获得吹炼过程中的连续信息。

3.采用火花直读光谱仪或X荧光光谱仪，虽然这些仪器自身的分析时间很短(1.5min左右)，能够分析多种关注元素的含量，总的分析时间能够满足工业需求。但是分析之前必须进行采样和样品处理，要求较多的人为参与，在连续高速冶炼过程中分析周期仍然略显过长。

近10余年来国内外均致力于平台快速响应系统的研究，倡导放弃风动送样，建立以光谱、自动采样和数字传输系统集成的炉前平台分析系统。1990年以来钢铁研究总院开始研究平台快速响应系统，倡导放弃风动送样，建立以光谱、自动采样和数字传输系统集成的炉前平台分析系统，使分析时间缩短到3min，使炼钢终点判断的命中率大大提高，为炉外精炼合金化调整及时反馈信息发挥了很大的作用。但判断终点所需时间仍占冶炼全过程的1/10，不能满足动态控制对实时分析的要求，所以直接测定钢液中成分一直是钢铁分析工作者以及冶炼工艺人员所追求的目标。

发明内容

本发明提供一套钢液成分监测与分析装置，目的在于连续在线监测炼钢过程中钢水的成分，直接准确地进行终点判断。

本发明的一种钢液成分监测与分析装置，包括检测探头、伸缩管、信号发生及采集部分和处理机，其特征在于：

所述检测探头结构为：在金属圆筒内部悬空装配有聚焦透镜，金属圆筒前端装配有两个电极；

所述伸缩管采用关节式钢管外套，内部的内空管道通过传导光纤、气体管道以及导线；

所述信号发生及采集部分包括激光控制器、激光发生器、光路耦合部件、光谱仪、电荷耦合装置CCD、送风机、检测探头定位控制电路，通过伸缩管内空管道的传导光纤、气体管道以及导线与检测探头连接，实现激光发生器触发与激光输出、光纤传入发射光谱的采集与光电转换、探头冷却气体输送与自动定位控制；激光器控制器控制激光发生器发出激光脉冲，经过光路耦合部件，再通过传导光纤传输聚焦到检测探头，检测探头探测到的光谱信号经过传导光纤和光路耦合部件传输至光谱仪进行光谱分辨，并耦合进电荷耦合装置转换为电信号传入处理机采集板卡，利用A/D板数据采集板转换后数字信号进行成分分析；检测探头的两个电极控制检测探头定位控制电路通断，检测探头定位控制电路控制机械臂动作，调节检测探头的升降定位；

所述处理机，通过通信电缆与所述信号发生及采集部分连接，接收电荷耦合装置CCD传输的电信号，进行A/D转换后处理分析光谱数据；控制所述信号发生及采集部分的激光发生器的启停与电荷耦合装置CCD的光谱采集转换参数设置。

所述的钢液成分监测与分析装置，其特征在于：所述信号发生及采集部分采用金属密封箱集成，箱内装有温度调节器，自动调节运行温度。

所述的钢液成分监测与分析装置，其特征在于：所述检测探头金属圆筒为耐高温金属圆筒，金属圆筒外部喷涂高反射耐高温涂料。

本发明工作时，激光发生器发出能量为15mJ的激光脉冲经过传导光纤传输到检测探头聚焦在钢水液面，聚焦能量密度达10⁹W/cm²，使激发区钢液形成高温高密度的等离子体状态；激光脉冲结束之后，等离子体迅速冷却并辐射出的原子与离子跃迁时释放的光。发射光谱经过传导光纤传输至光谱仪进行光谱分辨，并耦合进电荷耦合装置CCD转换为电信号传入处理机采集板卡，利用A/D板数据采集板转换后数字信号进行成分分析。为了克服高温环境的影响，检测探头中配了空冷系统，通过在探头中吹入压缩冷惰性气体达到冷却的作用。为了使探头能在钢水上方准确定位，探头上装有两个电极，利用钢水的导电性控制检测探头定位控制电路通断，进而调节检测探头的升降定位。

本发明的成分分析基本原理为激光诱导击穿光谱分析理论，将脉冲时宽为纳秒级(或者更小)的高能脉冲激光聚焦在钢液表面，在几十纳秒的短时间内形成钢水的高温高密度等离子体区。在激光脉冲结束之后，随着等离子体的冷却，等离子体内元素处于高能激发态的原子与离子向低能级发生跃迁而发射出特定波长的光子。通过采集发射光谱的波长即可确定对应的元素种类，而特定测量条件下，元素特征波长的强度与其浓度含量存在对应关系。因此通过分析激光诱导钢水发射光谱即可确定表面成分。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1.系统集成封装，体积小，操控端可远离恶劣检测环境，现场安装方便。

2.分析速度快，不需要进行采样，可以对钢液直接进行原位分析，整个分析过程在2min之内完成。

3.检测探头属于非消耗性的，检测探头配以冷却系统可以进行连续测量，实时反映炉内钢液的成分变化，而普通的副枪只能进行单次测量，且多用终点预测，不能判断。

本发明适用范围广，不仅可以进行碳含量分析，也能同时进行其他多种合金元素分析，可以用于转炉、平炉以及炉外精炼等工艺过程。

附图说明：

图1为本发明组成结构示意图；

图2(a)为检测探头结构示意图；

图2(b)为图2(a)的A-A剖面示意图；

图2(c)为图2(a)的B-B剖面示意图；

图3为装置主控集成箱体内部件安装布置图；

图4为本发明工作原理示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明包含四个组成部分：检测探头4、伸缩管3、信号发生及采集部分2和处理机1。

检测探头4，其具体结构如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，在外观为直径8cm、长30cm的耐高温金属圆筒内部悬空装配有耐高温聚焦透镜14，对准聚焦透镜14位置装设传导光纤13，金属圆筒外部喷涂高反射耐高温涂料以适应高温检测环境。耐高温聚焦透镜14用于激光光束聚焦，并且通入冷惰性气体流进行吹扫冷却。探头前端装配两个长15cm的电极15，用于检测时探头固定高度的自动检测，当电极接触到钢液表面时，电路导通探头停止伸缩进行检测。该探头不仅可以大型转炉、电炉的副枪机械手插配，也能够插配在人工测枪中使用。

伸缩管3，该部分采用直径为5cm关节式钢管外套，可以自动调节上下定位高度，内部包含激光传导与发射光谱传导光纤13、冷却气体管道以及定位电极电路导线。实现激光脉冲的传递、光谱信号的采集、冷却气体输送以及定位控制信号通信等功能。

信号发生及采集部分2，该部分采用金属密封箱集成，金属密封箱外观长60cm、宽50cm、高80cm，其内部结构布置如图3所示。内部分层布置激光器控制器5、激光发生器6、光路耦合部件16、光谱仪7、电荷耦合装置(CCD)8、温度调节器9、送风机11、检测探头自动定位控制电路12，由220AV常规电源10供电，通过机械管臂的内空管道与检测探头连接。实现功能包括：激光器触发与激光输出、光纤传入发射光谱的采集与光电转换、探头冷却气体输送与自动定位控制，箱内运行温度自动调节。

计算机处理终端1，接收CCD的传输电信号进行A/D转换后处理分析光谱数据，同时控制系统主体箱内的激光器的启停与CCD的光谱采集转换参数设置。通过通信电缆与系统主体箱连接。

本发明工作原理如图4所示，在激光器控制器5控制下，激光发生器6发出能量为15mJ的激光脉冲经过光路耦合部件16，再通过传导光纤13传输聚焦在钢水液面，聚焦能量密度达10⁹W/cm²，使激发区钢液形成高温高密度的等离子体状态；激光脉冲结束之后，等离子体迅速冷却并辐射出的原子与离子跃迁时释放的光。辐射光谱经过光纤13和光路耦合部件16传输至光谱仪7进行光谱分辨，并耦合进电荷耦合装置(CCD)8转换为电信号传入处理机采集板卡，利用A/D板数据采集板转换后数字信号进行成分分析。为了克服高温环境的影响，检测探头4中配了空冷系统，通过在探头中吹入压缩冷惰性气体达到冷却的作用。为了使探头能在钢水上方准确定位，探头上装有两个电极15，利用钢水的导电性控制检测探头定位控制电路12通断，进而调节检测探头的升降定位。

检测开始之前，首先启动金属密封箱内空调，使箱内运行环境温度稳定在20℃；同时启动Nd:YAG固体激光发生器6在调Q模式下开始振荡运行；处理机1启动，分析软件初始化。

处理机1运行工作时，首先用机械管臂将连接有检测探头4的伸缩管3通过检测孔缓慢送入炉中，同时开启送风机11，向连着激光探头的管道中吹入冷惰性气体，防止检测探头4和传导光纤13过热受损。在检测探头4的前端，安装有两个耐高温的电极15，当电极接触液面时，检测探头定位控制电路12回路导通，限位开关断开，控制机械臂动作停止，定位就绪指示灯亮。

启动激光发生器6以1Hz的频率开始稳定连续发射激光脉冲，激光脉冲用光路耦合部件16传入传导光纤13传输至检测探头4，光脉冲进入检测探头4后经光路调节，被焦距为30cm的凸透镜14聚焦于钢液的表面，同时吹扫惰性气体吹开钢液表面杂质以便于聚焦激光更好作用于冶炼钢液。高能聚焦激光的作用使钢液表面在几十纳秒时间内产生的完整包含激发区钢液成分的高温等离子体(温度超过10000度)，激光作用几百纳秒之后等离子体开始冷却并同时辐射出包含等离子体内元素种类与含量信息的特定波长光，发出的光经过检测探头4内的透镜收集聚焦后进入收光光纤并传输至光谱仪7。光谱仪对进入的发射光进行光谱分辨，分辨波长范围为200-500nm，分辨率为0.2nm。光谱仪的出口光为形成按照波长分辨排列的光谱，在光谱仪出口耦合连接工作范围为200-500nm的电荷耦合装置(CCD)8将分辨光谱转换成电信号，CCD为线阵2048个像素的探测器。转换后的包含等离子体激发发射光谱信息的电信号经电缆传输进处理机1。

CCD传输进处理机1中的信号通过其配套A/D采集板卡转换成数字信号，通过软件处理拟合200-500nm波段的光谱图，再进行寻峰处理与各元素特征谱线的强度分析。利用处理机1预先建立的元素各特征谱线“光谱强度-浓度”定标曲线库，即可分析出当前检测时刻的钢液成分组成，进而预测判断冶炼工艺的终点时刻。

Claims

1.一种钢液成分监测与分析装置，包括检测探头、伸缩管、信号发生及采集部分和处理机，其特征在于：

所述信号发生及采集部分包括激光器控制器、激光发生器、光路耦合部件、光谱仪、电荷耦合装置CCD、送风机、检测探头定位控制电路，通过伸缩管内空管道的传导光纤、气体管道以及导线与检测探头连接，实现激光发生器触发与激光输出、光纤传入发射光谱的采集与光电转换、探头冷却气体输送与自动定位控制；激光器控制器控制激光发生器发出激光脉冲，经过光路耦合部件，再通过传导光纤传输聚焦到检测探头，检测探头探测到的光谱信号经过传导光纤和光路耦合部件传输至光谱仪进行光谱分辨，并耦合进电荷耦合装置转换为电信号传入处理机采集板卡，利用A/D板数据采集板转换后数字信号进行成分分析；检测探头的两个电极控制检测探头定位控制电路通断，检测探头定位控制电路控制机械臂动作，调节检测探头的升降定位；

2.如权利要求1所述的钢液成分监测与分析装置，其特征在于：所述信号发生及采集部分采用金属密封箱集成，箱内装有温度调节器，自动调节运行温度。

3.如权利要求1或2所述的钢液成分监测与分析装置，其特征在于：所述检测探头金属圆筒为耐高温金属圆筒，金属圆筒外部喷涂高反射耐高温涂料。