CN101936908A

CN101936908A - 一种用于真空熔炼炉内钢液成分在线监测装置的检测探头

Info

Publication number: CN101936908A
Application number: CN 201010258151
Authority: CN
Inventors: 陆继东; 姚顺春; 潘圣华; 陈凯; 李俊彦; 董美蓉; 李军
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2011-01-05

Abstract

本发明涉及一种用于真空熔炼炉内钢液成分在线监测装置的检测探头。其目的在于配合钢液在线成分监测装置实现真空熔炼过程中钢液成分变化的在线监测及终点的判断，本发明包括光学探头和多维调整光臂。光学探头由两根金属圆管组成类似三通的构造，金属圆管内夹持固定有聚焦透镜和二向色镜，配置有传导光纤，探头前端装配超声波发射器及接收器和小型伺服电机，该光学探头用于实现传输和聚焦脉冲激光，同时收集和耦合光谱信号功能；多维调整光臂由可伸缩管和连接关节配合使用，达到多维调整的目的，其中连接关节内配有激光反射镜，可反射传输高能量的脉冲激光。本发明具有体积小，安装方便灵活，无需取样，不会对精炼工艺过程产生影响的特点。

Description

一种用于真空熔炼炉内钢液成分在线监测装置的检测探头

技术领域

本发明涉及一种用于真空熔炼炉内钢液成分在线监测装置的检测探头。

背景技术

现代科学技术的发展和工业的发展，对钢的质量（如钢的纯净度）的要求越来越高，炉外二次精炼逐渐受到炼钢工作者和科研人员的重视，而炉内成分检测是最关键的，也是世界各国都在努力解决的问题，因为它对炉外精炼更有效的操作和定量控制，获得高质量产品是至关重要的。目前已发展起来的主要分析方法有如下几种。

1.火花直读光谱仪和X射线荧光光谱仪这些仪器自身的分析时间很短（小于1分钟），能够分析多种关注元素的含量，分析测试本身的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。

2.平衡分压法探头（定氢探头）。溶解在熔融金属中的某些气体的活度与熔融金属表面上该气体分压之间符合Sieverts定律，以该理论为基础建立的分析系统的核心是实现气体分压的测定。迄今为止，所提出的方法都是基于向熔融金属中吹入载气，循环平衡后，在气路中实现测定的方案。平衡分压法测定液体金属中氢的方法是其中最为成功的例子，并开始用于现场。

3.固体电解质浓差电池探头（定氧探头）。以固体电解质浓差电池敏感元件为基础的探头，可根据待测成分活度所响应的电势或其他信号进行计算。其中最成功的是定氧探头。定氧探头以氧化镁（MgO）或氧化钙（CaO）稳定的氧化锆（ZrO）管作为固体电解质，以Cr/Cr2O3作为参比电极。炼钢工艺现场钢液中氧的测定系统能及时准确地传递钢液中氧活度的信息，有利于冶炼过程及质量的控制。

4.结晶定碳探头。所谓结晶定碳探头实际上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。随着样杯冷却根据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钢液中实际含碳量。因此这种方法主要用于冶炼中间过程的平衡计算，而不能作为判断终点的依据。

以上这些成分分析技术或者分析周期长，不能及时、快速地反映炉内成分的变化，或者每次测量只能针对某种元素，不能多元素同时测量，所以多元素同时直接测定钢液中的成分一直是炼钢工作者及工艺人员所追求的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种用于真空熔炼炉内钢液成分在线监测装置的检测探头，本发明能配合在线成分监测一体机实现真空熔炼过程中钢液成分变化的在线监测及终点的判断。本发明通过如下技术方案实现。

一种用于真空熔炼炉在线成分监测装置的检测探头，包括光学探头和多维调整光臂，光学探头具有三端，其中一端与多维调整光臂连接，一端口与真空熔炼炉连接，另一端与传导光纤连接，该三端的交汇处设有二向色镜；与传导光纤连接的一端内设有第一聚焦透镜；与真空熔炼炉连接的一端（即探头前端）内设有能在小型伺服电机驱动下作上下移动的第二聚焦透镜，且该端口处设有用于测量第二聚焦透镜到钢液液面距离的超声波发射器和接收器；所述多维调整光臂内设有用于反射传输脉冲激光至所述二向色镜的激光反射镜，所述脉冲激光穿过二向色镜后由第二聚焦透镜聚焦到钢液表面上形成等离子体，等离子体发射光谱经第二聚焦透镜收集后被二向色镜反射到第一聚焦透镜上，经聚焦后耦合到所述传导光纤。

上述的检测探头中，所述光学探头包括两根金属圆管，所述两根金属圆管构成T形三通结构，T形三通结构分为上端、中端和下端，上端和下端位于直通通道上，下端安装有所述超声波发射器和接收器，在T形三通结构三端的交汇处设有所述二向色镜，在下端所在的通道内设有能在所述型伺服电机驱动下作上下移动的所述第二聚焦透镜，在中间端所处通道的金属圆管内壁设有所述第一聚焦透镜，中间端连接有传导光纤；所述上端与多维调整光臂的一端连接，多维调整光臂内设有用于传输激光光束的激光反射镜。

上述的检测探头中，所述多维调整光臂包括可伸缩管和连接关节。

上述的检测探头中，所述多维调整光臂由多个可伸缩管和多个连接关节构成，相邻两连接关节分别安装于可伸缩管的两端；可伸缩管能通过连接关节以相邻的可伸缩管为轴绕转而调整角度，实现多维调整；连接关节内设有所述激光反射镜。

上述的检测探头中，多维调整光臂的一端与所述T形三通结构的上端连接，另一端与发出高能量激光光束的一体化主机连接。

上述的检测探头中，所述光学探头的下端固定在真空熔炼炉的备用观察孔上，并配置有耐高温油性密封圈，且该端的金属圆管与真空熔炼炉接触的部位设有耐高温油性密封圈，保证光学探头中的聚焦透镜在调整时有良好的密封效果，不影响真空熔炼炉的气密性。

上述的检测探头中，所述多维调整光臂由可伸缩管和连接关节配合使用，达到多维调整的目的，其中连接关节内夹持有激光反射镜，可反射传输高能量的脉冲激光；所述的光学探头前端的超声波发射器及接收器用于确定探头中聚焦透镜到钢液液面的距离，并通过小型伺服电机进行调整，使聚焦透镜的焦点刚好落在钢液液面上。

本发明所依托的成分分析技术是基于激光诱导击穿光谱分析原理。激光诱导击穿光谱是一种典型的原子发射光谱。脉冲激光经聚焦透镜聚焦在钢液表面上，聚焦点处的样品表面被瞬间加热到10⁴K以上的高温而汽化，产生高温高电子密度的等离子体。在等离子体冷却过程中，发射出表征被激发样品元素信息的特征谱线，根据光谱的特征谱线波长及其强度得到对应的元素种类和浓度信息，从而对检测对象进行定性和定量分析。

本发明工作时，由一体化主机向外发射出的高能量脉冲激光，经过多维调整光臂反射传输到光学探头并聚焦在钢液表面，激光作用点处的钢液被烧蚀汽化，形成高温高电子密度的等离子体，等离子体迅速膨胀冷却并发射出表征被激发样品元素信息的特征光谱。该发射光谱由光学探头收集耦合进传导光纤，传输至一体化主机进行数据处理和传输保存。为了保证光学探头内聚焦透镜和钢液表面的距离，在光学探头上装备超声波发射器及接收器，将测量距离的信息反馈到一体化主机中，控制光学探头前的小型伺服电机进行升降定位调整。

与现有技术相比，本发明的优点及效果如下：

1. 装置体积小，安装灵活方便，并且可实现远距离操控；

2. 检测过程无需取样，属非接触性测量技术，不会对精炼工艺过程产生干扰；

3. 配合在线成分监测一体化主机，可实现碳、氢、氧等非金属元素和各种金属元素的同时测量。

附图说明

图1为实施方式中真空熔炼炉在线成分监测装置的结构示意图。

图2为检测探头中的光学探头结构示意图。

图3为检测探头中的多维调整光臂结构示意图。

图4为多维调整光臂中连接关节结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

如图1所示，本发明的检测探头包括两个部分组成：光学探头1和多维调整光臂2，它们结合一体化主机3进行工作。

光学探头1的具体结构示意图如图2所示。由两根内径为50cm的金属圆管组成类似T型三通的构造。在金属圆管内夹持固定有第一聚焦透镜4、第二聚焦透镜5和二向色镜6，探头前端（即T型三通的下端）配有超声波发射器11及接收器10和小型伺服电机7。通过超声波发射器11和接收器10可测量出第二聚焦透镜5到钢液液面距离，并把测量到的距离信息反馈至一体化主机3中，通过小型伺服电机7进行调整，可使第二聚焦透镜5的焦点刚好落在钢液液面上。一体化主机3产生的脉冲激光穿过二向色镜6后由聚焦透镜5聚焦到钢液表面上形成等离子体，发射光谱经聚焦透镜5收集被二向色镜6反射到聚焦透镜4上，经聚焦后耦合到传导光纤8，传输至一体化主机3中的系统进行处理。下端金属圆管与真空熔炼炉接触的部位设有耐高温油性密封圈9，可以保证光学探头中的聚焦透镜5在升降调整时保持有良好的密封效果。

多维调整光臂2的具体结构示意图如图3、图4所示。由可伸缩管12和连接关节13配合组成，其中可伸缩管12采用内径为50cm的关节式钢管外套，可自由伸缩调整长度，连接关节13内夹持有激光反射镜14，可反射传输高能量的激光光束，可伸缩管12可通过连接关节13以相邻的可伸缩管为轴绕转调整角度，实现多维调整；

本发明工作原理如下：一体化主机3发出高能量激光脉冲在多维调整光臂2内反射传输到光学探头1聚焦在钢液表面，一小部分的钢液会在聚焦点处被烧蚀汽化，形成高温高电子密度的等离子体，等离子体迅速冷却并发射出表征被激发样品元素的特征光谱。该发射光谱由光学探头1收集耦合进传导光纤8，传输至一体化主机3进行处理，一体化主机中的系统将分析得到的钢液成分信息显示于一体化主机3上，同时传输至中央控制系统。为了使激光能准确聚焦在钢液表面，在光学探头上装有超声波发射器11及接收器10，将测量距离的信息反馈到一体化主机3中，并通过小型伺服电机7进行升降定位调整。

该设备使用前，首先用法兰连接方式将光学探头1固定在真空熔炼炉的备用观测孔上，完毕后超声波发射器11及接收器10将测量距离的信息反馈到一体化主机3中，并通过小型伺服电机7对第二聚焦透镜5进行升降定位调整，并显示在一体化主机3上。然后通一体化主机3发出高能量的双脉冲激光在多维调整光臂2内反射传输到光学探头1，并由焦距为500cm的第二聚焦透镜5聚焦在钢液表面上，一小部分的钢液会在聚焦点处被烧蚀汽化，形成高温高电子密度的等离子体，等离子体迅速冷却并发射出表征被激发部分元素的特征光谱。该发射光谱经第二聚焦透镜5收集被二向色镜6反射到第一聚焦透镜4上耦合进传导光纤8，并传输至一体化主机3进行分析处理，得到钢液成分信息，显示于一体化主机3上。

Claims

1.一种用于真空熔炼炉内钢液成分在线监测装置的检测探头，其特征在于包括光学探头和多维调整光臂，光学探头具有三端，其中一端与多维调整光臂连接，一端与真空熔炼炉连接，另一端与传导光纤连接，该三端的交汇处设有二向色镜；与传导光纤连接的一端内设有第一聚焦透镜；与真空熔炼炉连接的一端内设有能在小型伺服电机驱动下作上下移动的第二聚焦透镜，且该端口处设有用于测量第二聚焦透镜到钢液液面距离的超声波发射器和接收器；所述多维调整光臂内设有用于反射传输脉冲激光至所述二向色镜的激光反射镜，所述脉冲激光穿过二向色镜后由第二聚焦透镜聚焦到钢液表面上形成等离子体，等离子体发射光谱经第二聚焦透镜收集后被二向色镜反射到第一聚焦透镜上，经聚焦后耦合到所述传导光纤。

2.根据权利要求1所述的检测探头，其特征在于所述光学探头包括两根金属圆管，所述两根金属圆管构成T形三通结构，T形三通结构分为上端、中端和下端，上端和下端位于直通通道上，下端安装有所述超声波发射器和接收器，在T形三通结构三端的交汇处设有所述二向色镜，在下端所在的通道内设有能在所述型伺服电机驱动下作上下移动的所述第二聚焦透镜，在中间端所处通道的金属圆管内壁设有所述第一聚焦透镜，中间端连接有传导光纤；所述上端与多维调整光臂的一端连接，多维调整光臂内设有用于传输激光光束的激光反射镜。

3.根据权利要求2所述的检测探头，其特征在于所述多维调整光臂包括可伸缩管和连接关节。

4.根据权利要求3所述的检测探头，其特征在于所述多维调整光臂由多个可伸缩管和多个连接关节构成，相邻两连接关节分别安装于可伸缩管的两端；可伸缩管能通过连接关节以相邻的可伸缩管为轴绕转而调整角度，实现多维调整；连接关节内设有所述激光反射镜。

5.根据权利要求4所述的检测探头，其特征在于多维调整光臂的一端与所述T形三通结构的上端连接，另一端与发出高能量激光光束的一体化主机连接。

6.根据权利要求5所述的检测探头，其特征在于所述光学探头的下端固定在真空熔炼炉的备用观察孔上，且该端的金属圆管与真空熔炼炉接触的部位设有耐高温油性密封圈。