CN106841175A - 一种炼钢精炼炉的钢水成分分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，包括：信号激发装置，用于产生高能脉冲激光；石英光学探头，设置于精炼炉钢包的底吹透气元件或气体喷枪内，用于将所述高能脉冲激光汇集在所述精炼炉钢包内的钢液表面，并采集所述钢液激发形成等离子体光谱；光谱仪，与所述石英光学探头电连接，以接收所述石英光学探头采集的光谱信号。应用本发明提供的炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，实现了精炼过程在线连续成分的直接检测。省去取样、制样、送样、缩短分析时间，响应速度快，提升精炼效率。无需昂贵的炉前化验室及相关岗位，人员和设备得到精简，现场安全性可得到提高。可实现精炼工艺全部关键元素的分析检测，钢水质量和稳定性得到提升。

Description

一种炼钢精炼炉的钢水成分分析系统
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，更具体地说，涉及一种炼钢精炼炉钢水成分分析系统。
背景技术
炼钢精炼过程中，实现成分的在线检测是理解并改进精炼工艺的重要途径，成分的精确测量可以减少精炼过程中合金的消耗，大大降低生产成本。从有冶金历史以来，人们对于熔体中的成分检测一直在不断开发，钢水成分检测分析方法有CS化学分析法、电感耦合等离子体发射光谱法ICP-0ES、气相色谱分析法、质谱法ICP-MS等。
其中CS化学分析法以铁屑为材料，需将金属样品研磨成粉状样品，时间长；电感耦合等离子体发射光谱法ICP-0ES在燃烧领域测定物质成分，需形成大体积的ICP火焰，含量较高元素需稀释，不能分析Si和碳等活性元素，而Si和碳是精炼工艺过程中很关键的元素；气相色谱分析法适合气体或低沸点低分子化合物的分析，且延时较长，无法满足现场精炼工艺的要求；质谱法ICP-MS按照物质荷质比进行成分分析，成本高，时间长。
也有研究者使用LIBS技术进行AOD炉钢水Si含量在线检测，通过自行设计取样器将熔体取放到炉口样本池，再使用LIBS仪器对熔体取样进行成分分析。但在炉口添加样本池以及取样到样板池的方式比较复杂，不利于现场操作，且其仅限与硅元素的检测，而没有其他关键元素的检测。
综上所述，如何有效地解决钢水成分难以精确检测等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，该炼钢精炼炉的钢水成分分析系统的结构设计可以有效地解决钢水成分难以精确检测的问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，包括：
信号激发装置，用于产生高能脉冲激光；
石英光学探头，设置于精炼炉钢包的底吹透气砖或气体喷枪内，用于将所述高能脉冲激光汇集在所述精炼炉钢包内的钢液表面，并采集所述钢液激发形成等离子体光谱；
光谱仪，与所述石英光学探头电连接，以接收所述石英光学探头采集的光谱信号。
优选地，上述钢水成分分析系统中，所述石英光学探头设置于所述精炼炉钢包的中心位置。
优选地，上述钢水成分分析系统中，所述石英光学探头与所述底吹透气砖或气体喷枪可拆卸的密封固定连接。
优选地，上述钢水成分分析系统中，所述光谱仪与所述石英光学探头通过传导光纤连接。
优选地，上述钢水成分分析系统中，所述光谱仪与所述石英光学探头无线连接。
优选地，上述钢水成分分析系统中，所述底吹透气元件为套管式透气砖、环缝式透气砖、狭缝式透气砖或者细金属多孔塞式供气元件；
所述气体喷枪为单管式喷嘴或双层套管式喷嘴。
优选地，上述钢水成分分析系统中，还包括与所述光谱仪连接的计算机，以根据所述光谱仪的检测结果处理获得所述钢液的成分并输出。
优选地，上述钢水成分分析系统中，还包括与所述计算机连接、用于存储所述钢液成分的后台服务器。
本发明提供的炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，包括信号激发装置、石英光学探头和光谱仪。其中，信号激发装置，用于产生高能脉冲激光；石英光学探头，设置于精炼炉钢包的底吹透气砖或气体喷枪内，用于将所述高能脉冲激光汇集在所述精炼炉钢包内的钢液表面，并采集所述钢液激发形成等离子体光谱；光谱仪，与所述石英光学探头电连接，以接收所述石英光学探头采集的光谱信号。
应用本发明提供的炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，将石英光学探头安装在精炼炉钢包底吹透气砖或气体喷枪内，将激光导入液态钢水表面，激发出钢水等离子后利用光学探头将光谱信号传输到光谱仪，连续检测炼钢精炼炉内的钢水成分。在精炼过程中连续精准分析所需关键元素的成分，为精炼炉提供了完全动态工艺控制的可能性。实现了精炼过程在线连续成分的直接检测。省去取样、制样、送样、缩短分析时间，响应速度快，提升精炼效率。无需昂贵的炉前化验室及相关岗位，人员和设备得到精简，现场安全性可得到提高。可实现精炼工艺全部关键元素的分析检测，钢水质量和稳定性得到提升。精炼自动化和检测水平得到提高，精炼过程连续成分检测是对精炼工艺的一次大的工艺革新，可提高精炼的自动化水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个具体实施例的钢水成分分析系统的结构示意图；
图2为图1中石英光学探头的安装示意图；
图3为图1中钢包底部俯视图。
附图中标记如下：
钢包1，底吹透气砖2，信号激发装置3，光谱仪4，控制系统5，计算机6。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，以精确检测钢水成分。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，图1为本发明一个具体实施例的钢水成分分析系统的结构示意图；图2为图1中石英光学探头的安装示意图；图3为图1中钢包底部俯视图。
在一个实施例中，本发明提供的炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，包括信号激发装置3、石英光学探头和光谱仪4。
其中，信号激发装置3，用于产生高能脉冲激光。具体可以为激光器。石英光学探头，设置于精炼炉钢包1的底吹透气元件或气体喷枪内，用于将高能脉冲激光汇集在精炼炉钢包1内的钢液表面，并采集钢液激发形成等离子体光谱。也就是采用石英光学探头引导信号激发装置3产生的激光束汇聚于钢水表面，对钢水进行剥蚀并形成等离子体。激发激光后利用石英光学探头将光谱信号耦合到光谱仪4中，连续检测炼钢精炼炉内的钢水成分。具体石英光学探头的位置可根据需要进行设置。优选的，在透气元件制作过程中将光学探头安装在精炼炉钢包1底吹透气元件或气体喷枪内。
光谱仪4，与石英光学探头电连接，以接收石英光学探头采集的光谱信号。光谱仪4的结构及工作原理请参考现有技术，此处不再赘述。炼钢精炼炉具体可以包括LF、VOD/CD、CAS等带透气砖的炉外精炼炉。
应用本发明提供的炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，将石英光学探头安装在精炼炉钢包1底吹透气砖2或气体喷枪内，将激光导入液态钢水表面，激发出钢水等离子后利用光学探头将光谱信号传输到光谱仪4，连续检测炼钢精炼炉内的钢水成分。在精炼过程中连续精准分析所需关键元素的成分，为精炼炉提供了完全动态工艺控制的可能性。实现了精炼过程在线连续成分的直接检测。省去取样、制样、送样、缩短分析时间，响应速度快，提升精炼效率。无需昂贵的炉前化验室及相关岗位，人员和设备得到精简，现场安全性可得到提高。可实现精炼工艺全部关键元素的分析检测，钢水质量和稳定性得到提升。精炼自动化和检测水平得到提高，精炼过程连续成分检测是对精炼工艺的一次大的工艺革新，可提高精炼的自动化水平。
优选的，石英光学探头设置于精炼炉钢包1的中心位置，也就是设置于精炼炉钢包1的底部中心的底吹透气元件或气体喷枪内，进而减小石英光学探头安装对底吹的影响。当然，根据需要也可以将石英光学探头安装于精炼炉钢包1的其他位置。
进一步地，石英光学探头与底吹透气元件或气体喷枪可拆卸的密封固定连接，如卡接。从而在石英光学探头故障时便于将其拆下进行维修或更换，进而有效节约了后期维护成本。
具体的，光谱仪4与石英光学探头通过传导光纤连接，使得信号传递更为可靠，根据需要也可以采用其他的无线连接方式连接，此处不再赘述。
根据需要，石英光学探头设置于底吹透气元件内时，底吹透气元件具体可以为套管式透气砖、环缝式透气砖、狭缝式透气砖或者细金属多孔塞式供气元件；石英光学探头设置于气体喷枪内时，气体喷枪具体可以为单管式喷嘴或双层套管式喷嘴。具体上述各类型底吹透气元件或透气砖的结构及作用原理等请参考现有技术，此处不再赘述。
在上述各实施例的基础上，还可以包括与光谱仪4连接的计算机6，以根据光谱仪4的检测结果处理获得钢液的成分并输出。具体计算域与光谱仪4可以为有线连接，也可以为无线连接，从而将光谱仪4获得的检测信号发送至计算机6中，计算机6可对获取的信息进行处理以获得精炼过程中关键元素的成分等。
为了便于光谱仪4与信号激发装置3的控制，可以设置控制系统5，光谱仪4、信号激发装置3均与控制系统5连接，在其控制下运行。具体光谱仪4及信号激发装置3均可以通过有线或无线的方式与控制系统5电连接。
进一步地，还可以包括与计算机6连接、用于存储钢液成分的后台服务器。也就是对分析获得的钢液成分进行远程存储，进而便于相关人员远程对钢液成分进行监控。也便于后期技术人员方便的读取钢液成分，对精炼过程进行分析。
以下以一个优选的实施方式为例进行说明。
在一个优选的实施方式中，炼钢精炼炉的钢水成分分析系统包括钢包1底吹透气砖2或气体喷枪、石英光学探头、信号激发装置3、信号采集处理装置、信号传输装置、光谱仪4，钢包1底吹透气砖2或气体喷枪在其通道内安装有石英光学探头，在激光器石英光学探头周围安装有冷却系统；信号采集处理系统包括传导光纤、多通道光谱仪4及计算机6；信号传输系统可以采用有线传输或者无线传输，有线传输采用激光传导光纤，该激光传导光纤由透气砖进入，其激光传导光纤头延伸至石英光学探头。将该精炼炉钢水成分检测装置安装在LF炉钢包1内，测试结果如下表所示：
将该精炼炉钢水成分检测装置安装在VOD炉钢包1内，测试结果如下表所示：
本发明具有全元素检测，特别是精炼关键元素C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni等元素的在线检测。分析的钢水成分除了Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Al、Nb、Mo、V、Ti等金属成分以外，重点还能分析C、P、S等钢中非金属元素，对控制钢水质量有重要意义。本发明贴近精炼工艺现场需求，充分利用精炼炉的特点，将石英光学探头安装在精炼炉钢包1底吹透气砖2或气体喷枪内，将激光导入液态钢水表面，激发出钢水等离子后利用光学探头将光谱信号传输到光谱仪4，连续检测炼钢精炼炉内的钢水成分。在精炼过程中连续精准分析所需关键元素的成分，为精炼炉提供了完全动态工艺控制的可能性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种炼钢精炼炉的钢水成分分析系统，其特征在于，包括：
信号激发装置，用于产生高能脉冲激光；
石英光学探头，设置于精炼炉钢包的底吹透气元件或气体喷枪内，用于将所述高能脉冲激光汇集在所述精炼炉钢包内的钢液表面，并采集所述钢液激发形成等离子体光谱；
光谱仪，与所述石英光学探头电连接，以接收所述石英光学探头采集的光谱信号。
2.根据权利要求1所述的钢水成分分析系统，其特征在于，所述石英光学探头设置于所述精炼炉钢包的中心位置。
3.根据权利要求2所述的钢水成分分析系统，其特征在于，所述石英光学探头与所述底吹透气元件或气体喷枪可拆卸的密封固定连接。
4.根据权利要求1所述的钢水成分分析系统，其特征在于，所述光谱仪与所述石英光学探头通过传导光纤连接。
5.根据权利要求1所述的钢水成分分析系统，其特征在于，所述光谱仪与所述石英光学探头无线连接。
6.根据权利要求1所述的钢水成分分析系统，其特征在于，所述底吹透气元件为套管式透气砖、环缝式透气砖、狭缝式透气砖或者细金属多孔塞式供气元件；
所述气体喷枪为单管式喷嘴或双层套管式喷嘴。
7.根据权利要求1-6任一项所述的钢水成分分析系统，其特征在于，还包括与所述光谱仪连接的计算机，以根据所述光谱仪的检测结果处理获得所述钢液的成分并输出。
8.根据权利要求7所述的钢水成分分析系统，其特征在于，还包括与所述计算机连接、用于存储所述钢液成分的后台服务器。
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