CN112525888A - 一种真空感应炉温度、成分快速检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真空感应炉温度、成分快速检测装置及方法，属于红外及等离子体发射光谱测量技术领域。本发明的技术方案是：透气砖（2）中间开有透气砖气缝（3）和透气砖气室（4）；一转三光纤（9）的顶部合为一束光纤，安装有蓝宝石窗口（5），并安装在透气砖气室（4）内部；一转三光纤（9）的尾部分为三根光纤，分别与激光器（10）、光谱仪（11）和比色法红外测温仪（12）连接；氩气进气管道（6）套接在一转三光纤（9）的外部，氩气进气管道（6）的尾端连接氩气控制装置（8）。本发明的有益效果是：实现温度、成分的同时检测，获取冶炼全过程实时、连续数据，实时调整、高质量指导炼钢过程，具有精度高、成本低、体积小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空感应炉温度、成分快速检测装置及方法，属于红外及等离子体发射光谱测量技术领域。
背景技术
在钢铁冶炼中，为进行质量控制和冶炼终点预报，产品、物料化学组分及温度的快速检测都至关重要：温度控制影响着冶炼操作、成分控制、浇注过程和铸锭质量等方面，主要是过程温度控制和终点温度控制，终点温度控制的好坏会直接影响到冶炼过程中的能量消耗、合金元素的收得率、炉衬使用寿命及成品钢的质量等技术经济指标；出钢温度过高会增加冶炼中的能量消耗，对坩埚和浇铸系统的耐材侵蚀加剧，外来夹杂物增加，影响合金元素的收得率。
目前广泛采用的热电偶测温方式，只可间断性散点检测某个瞬时温度，无法获取整个过程的温度趋势，且测温范围较窄；偶头的探入会引起金属飞溅，造成本炉钢金属损失，液面的沸腾还会卷入杂质引起本炉钢的污染，同时飞溅的钢渣粘到炉壁出钢不干净造成下炉次钢污染；偶头的纸筒进入钢液造成增碳现象；另外，多次偶头的探入会引入空气，对冶炼过程带来影响；而且往往存在人为测量误差。
通过国内外企业对标发现，目前真空感应炉冶炼中成分检测主要依赖离线工艺，取样、制样、送检，过程繁琐、时间滞后。温度与成分同时实时检测是冶金过程的一个迫切需求。
中国专利申请号201620954951.7公开了“一种钢水温度直接快速检测装置”，提供了一种直接快速检测钢水实际温度的方案，为了测得钢液温度需拨开钢渣，此发明仅可用于开放式炉膛检测应用，不适于真空冶炼环境；中国专利申请号201810036055.6公开了“一种非真空电磁感应炉测温取样装置及方法”，采用全液压传动方式，实现远距离测温取样功能，但也不适用于真空感应炉环境；中国专利申请号201811461045.3公开了一种“一种LF精炼炉钢水成分的连续检测分析系统”实现了LF精炼炉钢水成分的连续检测，但未实现温度、成分的同时测定；中国专利申请号201620565834.1公开了“一种同时对熔融金属的元素含量和温度进行无接触测量的系统”，可同时实现真空冶炼环境中熔融金属的元素含量、温度无接触测量，但采用特制耐高温无接触式导光系统配合辅助真空实现，光学元件通用性差、装置整体成本较高，不利于工业化应用。
综上所述，本领域目前存在着发展一种真空感应炉中低成本、快速实现温度、成分同时检测的装置及方法的技术需求。
发明内容
本发明目的是提供一种真空感应炉温度、成分快速检测装置及方法，应用红外比色测温技术结合LIBS技术实现温度、成分的同时检测，获取冶炼全过程实时、连续数据，得到温度、成分全流程工作曲线，掌握数据变动规律，实时调整、高质量指导炼钢过程，具有精度高、成本低、体积小的优点，基本可实现所有具有真空功能冶炼炉，可掌握不同钢种所需的最佳冶炼工艺，对成分的快速直接检测可实时调整炼钢过程，同时可避免各种干扰，对冶炼过程节能减排、节约能耗、炼钢工艺的提升都有革命性改变，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种真空感应炉温度、成分快速检测装置，包含真空感应炉、透气砖、氩气进气管道、氩气控制装置、一转三光纤、激光器、光谱仪和比色法红外测温仪，透气砖安装在真空感应炉底部，透气砖中间开有透气砖气缝和透气砖气室；一转三光纤的顶部合为一束光纤，安装有蓝宝石窗口，并安装在透气砖气室内部；一转三光纤的尾部分为三根光纤，分别为光纤一、光纤二和光纤三，光纤一、光纤二和光纤三分别与激光器、光谱仪和比色法红外测温仪连接；氩气进气管道套接在一转三光纤的外部，氩气进气管道的尾端连接氩气控制装置；一转三光纤从氩气进气管道穿出，在连接处设有管道密封口。
所述一转三光纤的光纤材质为耐高温和带盔甲抗紫外曝光处理石英，200μm芯径。
所述激光器的能量范围为0-200mJ。
所述光谱仪的光谱范围为180-390nm，覆盖了钢水常用元素的谱线范围；分辨率为0.02nm。
所述比色法红外测温仪为一种非接触光纤式红外高温仪，安装有耐高温探头，通过光纤采集红外辐射信号；利用双波长测温技术，长波为1.1μm，短波为0.5μm，测温范围600-2000℃，温度分辨率为0.1℃；光学分辨率为100:1，坡度：0.85-1.15。
所述比色法红外测温仪的控制器外部安装有水冷盒，并留有一转三光纤的光纤出口。
一种真空感应炉温度、成分快速检测方法，包含以下步骤：
（1）当真空感应炉需检测成分信息时，控制系统及处理单元控制激光器发出一定频率的脉冲激光，由光纤一传输到一转三光纤顶部，传输到蓝宝石窗口，产生等离子体然后激发熔融钢水产生等离子体，等离子体辐射信号由一转三光纤转到光纤二，并由光纤二传输到光谱仪，进行分光、定量分析，并将成分信息实时显示到显示屏上；
（2）当真空感应炉需检测温度信息时，控制系统及处理单元启动比色法红外测温仪，安装在透气砖气室内部的一转三光纤通过所述透气砖气缝采集钢水辐射进来的红外信号，并分束到光纤三，并由光纤三送入到比色法红外测温仪，利用双波长红外测温技术进行温度实时检测及显示。
本发明的有益效果是：应用红外比色测温技术结合LIBS技术实现温度、成分的同时检测，获取冶炼全过程实时、连续数据，得到温度、成分全流程工作曲线，掌握数据变动规律，实时调整、高质量指导炼钢过程，具有精度高、成本低、体积小的优点，基本可实现所有具有真空功能冶炼炉，可掌握不同钢种所需的最佳冶炼工艺，对成分的快速直接检测可实时调整炼钢过程，同时可避免各种干扰，对冶炼过程节能减排、节约能耗、炼钢工艺的提升都有革命性改变。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的红外测温法原理图；
图3是本发明的激光诱导击穿光谱LIBS技术成分检测原理图；
图中：真空感应炉1、透气砖2、透气砖气缝3、透气砖气室4、蓝宝石窗口5、氩气进气管道6、管道密封口7、氩气控制装置8、一转三光纤9、激光器10、光谱仪11、比色法红外测温仪12、控制系统及处理单元13、聚光镜一14、聚光镜二15、样品16、显示屏17、红外辐射能量18、透镜19、分色片20、滤光片一21、滤光片二22、红外探测器一23、红外探测器二24、微处理器25。
具体实施方式
为了使发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清晰的、完整的描述，显然，所表述的实施案例是本发明一小部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，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案例，都属于本发明保护范围。
一种真空感应炉温度、成分快速检测装置，包含真空感应炉1、透气砖2、氩气进气管道6、氩气控制装置8、一转三光纤9、激光器10、光谱仪11和比色法红外测温仪12，透气砖2安装在真空感应炉1底部，透气砖2中间开有透气砖气缝3和透气砖气室4；一转三光纤9的顶部合为一束光纤，安装有蓝宝石窗口5，并安装在透气砖气室4内部；一转三光纤9的尾部分为三根光纤，分别为光纤一、光纤二和光纤三，光纤一、光纤二和光纤三分别与激光器10、光谱仪11和比色法红外测温仪12连接；氩气进气管道6套接在一转三光纤9的外部，氩气进气管道6的尾端连接氩气控制装置8；一转三光纤9从氩气进气管道6穿出，在连接处设有管道密封口7。
所述一转三光纤9的光纤材质为耐高温和带盔甲抗紫外曝光处理石英，200μm芯径。
所述激光器10的能量范围为0-200mJ。
所述光谱仪11的光谱范围为180-390nm，覆盖了钢水常用元素的谱线范围；分辨率为0.02nm。
所述比色法红外测温仪12为一种非接触光纤式红外高温仪，安装有耐高温探头，通过光纤采集红外辐射信号；利用双波长测温技术，长波为1.1μm，短波为0.5μm，测温范围600-2000℃，温度分辨率为0.1℃；光学分辨率为100:1，坡度：0.85-1.15。
所述比色法红外测温仪12的控制器外部安装有水冷盒，并留有一转三光纤9的光纤出口。
一种真空感应炉温度、成分快速检测方法，包含以下步骤：
（1）当真空感应炉需检测成分信息时，控制系统及处理单元控制激光器发出一定频率的脉冲激光，由光纤一传输到一转三光纤顶部，传输到蓝宝石窗口，产生等离子体然后激发熔融钢水产生等离子体，等离子体辐射信号由一转三光纤转到光纤二，并由光纤二传输到光谱仪，进行分光、定量分析，并将成分信息实时显示到显示屏上；
（2）当真空感应炉需检测温度信息时，控制系统及处理单元启动比色法红外测温仪，安装在透气砖气室内部的一转三光纤通过所述透气砖气缝采集钢水辐射进来的红外信号，并分束到光纤三，并由光纤三送入到比色法红外测温仪，利用双波长红外测温技术进行温度实时检测及显示。
实施例：
真空感应炉1冶炼过程中，为了去除熔融钢水中ONH等气体杂质，氩气控制装置8稳定控制压力0.6-1.0Mpa，通过氩气进气管道6通入透气砖气室4，并充入到真空感应炉1，逐渐上升，去除气体杂质；
控制系统及处理单元13设定各单元工作参数：优选的，激光器10工作参数设置：频率f=10Hz，能量110mJ；光谱仪11工作参数设置：积分时间1.05ms，延迟时间1.28μs，激光器触发光谱仪模式；比色法红外测温仪12工作参数设置：自动调焦模式；
激光器10发射的脉冲激光信号通过光纤一传输到一转三光纤9顶部，并通过蓝宝石窗口5发射到熔融钢水处，激发出等离子体，然后等离子体辐射出信号由一转三光纤9转到光纤二并传输到光谱仪11，进行光谱信息采集及成分定量分析，控制系统显示成分信息；与此同时，一转三光纤9顶部接收的熔融钢水红外辐射信号由光纤三传输到比色法红外测温仪12并进行温度实时处理及显示。
具体的，本发明的工作原理为：
本发明成分检测基于激光诱导击穿光谱技术（Laser Induced breakdownspectroscopy, LIBS），采用强脉冲激光经过聚焦照射到样品16上时，样品16会在瞬间被气化成高温、高密度的等离子体，处于激发态的等离子体会对外释放出不同的射线。等离子体发射光谱谱线对应的波长和强度分别反映所测对象中的组成元素和其浓度大小。该技术具有高检测灵敏度，而且成本较低，可以同时对多种元素进行分析等优点，具有极大的元素在线分析检测的应用潜力。
本发明温度检测基于比色法红外测温技术：红外辐射能量被透镜19接收并聚焦在双波段滤光片红外探测器上，滤光片一21和滤光片二22将红外辐射能分成两个波段，波长范围为0.75-1.lum和0.95-1.1μm。通过每个滤光片的红外辐射被两个独立的红外探测器接收并转换成电信号，然后经过微处理器25计算两个信号的比值及环境温度补偿后给出测温数据并显示输出。
本发明的有益效果为：
（1）本发明的测温方法基于红外测温原理的比色测温法实现，在恶劣条件下可保证精确的温度测量，分辨率高，硬件装置简单、成本低廉、安装方便，测温数据接收、调整便捷，高速、高效、耐用的实现了红外温度检测；
（2）本发明采用激光诱导击穿光谱法实现成分的快速实时检测，高频率脉冲激光，快速采集大量实验数据，获取更多有效成分信息；
（3）本发明针对LIBS信号易受激光能量波动、样品组分均匀性、激光-样品相互作用及自吸收等因素的影响，谱线强度存在明显的不确定性等问题，深入研究了信号不确定性影响机制、系统参数优化，实现了基于LIBS全谱大数据挖掘的成分快检智能预测模型研究与集成，大大提升定标精度；
（4）本发明首次从硬件通讯、光谱分析两方面实现现场成分测量和分析专用LIBS定标分析软件系统，与商用软件进行对比，定标线性决定系数R2明显更高；
（5）本发明是真空感应炉中应用红外比色测温技术结合LIBS技术实现温度、成分的同时快速、低成本、准确检测的首创，获取冶炼全过程实时、连续数据，得到温度、成分全流程工作曲线，掌握数据变动规律，实时调整、高质量指导炼钢过程，具有精度高、成本低、体积小的优点，基本可实现所有具有真空功能冶炼炉，如VD、RH、AOD、VOD的推广应用。有了实时、连续温度数据，可掌握不同钢种所需的最佳冶炼工艺，对成分的快速直接检测可实时调整炼钢过程，同时可避免各种干扰，本发明的实现对冶炼过程节能减排、节约能耗、炼钢工艺的提升都有革命性改变。
Claims (7)
1.一种真空感应炉温度、成分快速检测装置，其特征在于：包含真空感应炉（1）、透气砖（2）、氩气进气管道（6）、氩气控制装置（8）、一转三光纤（9）、激光器（10）、光谱仪（11）和比色法红外测温仪（12），透气砖（2）安装在真空感应炉（1）底部，透气砖（2）中间开有透气砖气缝（3）和透气砖气室（4）；一转三光纤（9）的顶部合为一束光纤，安装有蓝宝石窗口（5），并安装在透气砖气室（4）内部；一转三光纤（9）的尾部分为三根光纤，分别为光纤一、光纤二和光纤三，光纤一、光纤二和光纤三分别与激光器（10）、光谱仪（11）和比色法红外测温仪（12）连接；氩气进气管道（6）套接在一转三光纤（9）的外部，氩气进气管道（6）的尾端连接氩气控制装置（8）；一转三光纤（9）从氩气进气管道（6）穿出，在连接处设有管道密封口（7）。
2.根据权利要求1所述的一种真空感应炉温度、成分快速检测装置，其特征在于：所述一转三光纤（9）的光纤材质为耐高温和带盔甲抗紫外曝光处理石英，200μm芯径。
3.根据权利要求1所述的一种真空感应炉温度、成分快速检测装置，其特征在于：所述激光器（10）的能量范围为0-200mJ。
4.根据权利要求1所述的一种真空感应炉温度、成分快速检测装置，其特征在于：所述光谱仪（11）的光谱范围为180-390nm，覆盖了钢水常用元素的谱线范围；分辨率为0.02nm。
5.根据权利要求1所述的一种真空感应炉温度、成分快速检测装置，其特征在于：所述比色法红外测温仪（12）为一种非接触光纤式红外高温仪，安装有耐高温探头，通过光纤采集红外辐射信号；利用双波长测温技术，长波为1.1μm，短波为0.5μm，测温范围600-2000℃，温度分辨率为0.1℃；光学分辨率为100:1，坡度：0.85-1.15。
6.根据权利要求1所述的一种真空感应炉温度、成分快速检测装置，其特征在于：所述比色法红外测温仪（12）的控制器外部安装有水冷盒，并留有一转三光纤（9）的光纤出口。
7.一种真空感应炉温度、成分快速检测方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）当真空感应炉需检测成分信息时，控制系统及处理单元控制激光器发出一定频率的脉冲激光，由光纤一传输到一转三光纤顶部，传输到蓝宝石窗口，产生等离子体然后激发熔融钢水产生等离子体，等离子体辐射信号由一转三光纤转到光纤二，并由光纤二传输到光谱仪，进行分光、定量分析，并将成分信息实时显示到显示屏上；
（2）当真空感应炉需检测温度信息时，控制系统及处理单元启动比色法红外测温仪，安装在透气砖气室内部的一转三光纤通过所述透气砖气缝采集钢水辐射进来的红外信号，并分束到光纤三，并由光纤三送入到比色法红外测温仪，利用双波长红外测温技术进行温度实时检测及显示。
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