CN209927722U - 一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置，属于冶金熔体成分检测领域。该装置包含脉冲激光器、光谱仪和光电探测器、时序控制器、同轴采集光路、铁水在线取样设备和计算机等主要组成部分，通过激光诱导击穿光谱技术对铁水硅含量进行在线快速检测，其特点为无需制样、分析速度快和分析频率高。通过本实用新型可以大大缩减炼铁厂铁水硅含量的分析时间，增加铁水硅含量的检测频率，实现铁水硅含量的实时监控，从而有利于高炉工长及时对高炉操作参数做出调整，使高炉铁水硅含量降低并维持在较低水平。本实用新型有利于钢铁企业进一步降低生产成本，节能减排，对于实现钢铁企业智能化和绿色生产有重大价值。

Description

一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置

技术领域

本实用新型涉及冶金熔体成分检测技术领域，特别是指一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置。

背景技术

高炉低硅冶炼是20世纪后期提出的一项炼铁新技术，降低铁水硅含量有利于降低吨铁能耗和炼钢渣量，目前钢铁企业炼铁过程中通过离线检测的方式对铁水硅含量进行检测，具体做法是：高炉出铁时，炉前工在撇渣器出口处使用样品勺取铁水样，待铁水样在空气中凝固后，将样品送至光谱化验室分析，其中还需要提前对样品进行打磨处理，光谱化验室使用火花直读光谱仪对铁水样品进行元素分析，最后检测工程师将结果反馈给高炉工长。通常以上整个分析过程耗时20分钟到1小时，分析时间经常受到现场工作人员的工作效率的影响。因此，通过常规检测方法得到的不及时检测结果对于指导高炉工长控制铁水硅含量的意义不大。

在钢铁企业的成本压力和国家节能减排需求越来越大的情况下，急需开发一种新的能够实现铁水硅含量在线快速检测的装置，缩短检测时间，提高炼铁效率，为高炉低硅冶炼操作提供及时、准确的检测结果作为支撑。

激光诱导击穿光谱(简称LIBS)技术是近年来新兴的一种利用激光激发等离子体，通过检测等离子体发射光谱对元素成分进行快速检测的技术，该技术可以实现对气体、液体和固体样品的原位、在线、快速成分检测，分析速度快，无需样品制备，在工程分析方面展现出较大的应用潜力。但是目前关于LIBS的设备大都是面向室内近距离检测应用，而钢铁企业工作环境恶劣，高炉出铁过程时常伴随着较大的粉尘污染和较强的高温辐射，而且铁水在铁水沟内流动时伴随着液面波动，这些都给LIBS技术在炼铁现场应用带来了干扰。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置，实现在高炉炼铁过程中对铁水沟中流动铁水的硅含量进行在线检测，为高炉工长提供及时的检测结果，基于此对高炉作业参数作出合理调整，将铁水硅含量控制在较低水平。

一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置，其特征在于：装置安装在铁水沟正上方，由铁水样在线采集系统、激光发射系统、时序控制系统、光谱采集与探测系统、同轴采集光路系统组成，各系统均与计算机相连。

其中，所述铁水样在线采集系统由样品勺27、连接杆19、升降机17、激光测距仪24、第四信号线22和第二数据线25组成，样品勺27由铸铁或其他高温合金等材质制成，形状为圆柱形、圆台形或棱柱形。连接杆19用于连接升降机17和样品勺27，连接杆19的材质为硬度较高的高温合金，形状为Z形，其一端焊接在样品勺27的外壁，另一端通过机械方式与升降机17固定，升降机17可以驱动连接杆19做上下运动和旋转运动，升降机17通过第四信号线22与计算机21连接，接受计算机21的指令。激光测距仪24安装在样品勺27正上方某处，激光发射出口朝下与样品勺27平面垂直，激光照射到铁水表面获得激光测距仪24到铁水表面之间的距离，激光测距仪24通过第二数据线25与升降机17连接，将测得的距离信息反馈给升降机，进而升降机17驱动连接杆19和样品勺27，对样品勺27位置作出微调，使得每一次检测时铁水液面位置在空间上始终处于设定高度。

为避免铁水沟26中铁水水位波动的影响，本装置单独设计的铁水样在线采集系统，首先进行铁水样在线采集，其次进行激光激发等离子体，然后通过光谱分光和探测器探测得到等离子体发射光谱的强度，最后通过预先设计的定量分析程序对等离子体发射光谱进行解析得到铁水硅含量值。计算机内设有定量化分析系统，包括光谱背景去除、谱峰识别、特征谱线提取、已开发的定标模型及硅含量计算等模块，可以实现光谱的自动解析和硅元素含量推算，在短时间内准确给出当前铁水中硅元素的含量。

进一步地，所述激光发射系统由激光器电源18、激光器腔体14、第二信号线13和第三信号线20组成，待样品勺27位置调整完毕后，计算机21发出激发信号通过第三信号线20传递给激光器电源18，激光器电源18通过第二信号线13传递给激光器腔体14，激光器腔体14随即发出多束脉冲激光，沿水平方向传播。

进一步地，所述时序控制系统由第五信号线28、第一信号线7和时序控制器3组成，第五信号线28和第一信号线7分别连接激光器电源18和光电探测器2，作用是控制激光器电源18与光电探测器2之间的工作延迟。激光器每触发一次就通过第五信号线28传递一个电信号给时序控制器3，时序控制器3在一定时间延迟后通过第一信号线7传递一个电信号给光电探测器2，触发光电探测器2，对光谱强度进行探测。

进一步地，光谱采集与探测系统由光收集器8、光纤5、光谱仪1、光电探测器2和第一数据线4组成；光收集器8安装在采集凸透镜9正上方，等离子体发射光线被光收集器8收集并耦合进入光纤5，通过光纤5传导进入光谱仪1狭缝入口，光谱仪1通过光栅对等离子体发射光线进行分光，光电探测器2在接收到时序控制器3的电信号后对等离子体发射光谱进行强度检测，并将检测结果通过第一数据线4传输到计算机21。

进一步地，同轴采集光路由激光扩束系统、二向色镜10、激光聚焦镜16、采集凸透镜9、光路保护外壳15和气体喷嘴23组成，所述激光扩束系统由一个输入凹透镜12和输出凸透镜11组成；输入凹透镜12和输出凸透镜11相互平行且与激光光轴垂直，激光扩束系统的作用是降低激光发散角，增加激光束直径，以便于远距离传输时更好地聚焦；所述二向色镜10与水平光轴的角度为45°，作用是改变激光传输方向，同时使得等离子体发射光线能够穿透以便进行同轴采集；所述激光聚焦镜16安装在二向色镜10正下方，作用是将垂直的激光束进行会聚，使其能量集中；激光聚焦镜16的焦点调节至样品勺内铁水表面下方，采集凸透镜9安装在二向色镜10正上方，作用是将等离子体发射光线会聚到光收集器8，光收集器8位于采集凸透镜9的焦点位置；所述光路保护外壳15将整个同轴采集光路包含在内，作用是固定光学元件、保证光路稳定和降低冶金现场粉尘和高温辐射对光学元件的影响；光路保护外壳15的形状呈F形，材质为绝热材料，具有较强的硬度，光路保护外壳15下部靠近样品勺处，管道直径缩小，作用是降低铁水沟26上方粉尘的影响；所述气体喷嘴23安装在光路保护外壳15下部侧壁，气体喷嘴23方向为斜向下，作用是通过鼓入气体，使得铁水沟26上方的粉尘不能进入光路保护外壳15内，从而降低粉尘对光学元件和光路的影响；所述气体为空气或其他惰性气体。

本实用新型通过合理的光路设计和系统搭建，设计了一种专门面向铁水硅含量在线检测的LIBS装置，能够实现对铁水硅含量的快速、在线检测。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

1、能够在短时间内对铁水沟内流动的铁水硅含量进行快速检测，相比于传统检测方法，该装置无需制样、送样，分析时间短，可以做到实时分析，为增加检测频率提供了方便，为高炉工长及时了解当前铁水的硅含量水平提供了方便，有利于高炉工长基于此及时对作业参数作出调整，从而将硅含量维持在较低水平，提高铁水质量。

2、本实用新型实现了在线自动取样、自动分析，整个过程不需要人为干预，只需要高炉工长一键下达检测指令即可，降低了人力成本和高炉炉前操作的危险系数，提高了检测效率。

3、本实用新型的成功应用将进一步降低炼铁和炼钢过程的原料成本，减少固体废弃物和有害气体的排放，对钢铁企业进一步降本增效、实现绿色生产具有重大意义。

附图说明

图1为本实用新型的一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置示意图；

其中，1为光谱仪，2为光电探测器，3为时序控制器，4为第一数据线，5为光纤，6为绝热外壳，7为第一信号线，8为光收集器，9为采集凸透镜，10为二向色镜，11为输出凸透镜，12为输入凹透镜，13为第二信号线，14为激光器腔体，15为光路保护外壳，16为激光聚焦镜，17为升降机，18为激光器电源，19为连接杆，20为第三信号线，21为计算机，22为第四信号线，23为气体喷嘴，24为激光测距仪，25为第二数据线，26为铁水沟，27为样品勺，28为第五信号线。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置和方法，该装置包括铁水样在线采集系统、激光发射系统、时序控制系统、光谱采集和探测系统、同轴采集光路和定量分析系统，装置直接安装在铁水沟26上方。

如图1所示，为该装置的示意图，由高炉工长通过计算机21向升降机17下达下降指令，升降机17驱动连接杆19和样品勺27垂直向下运动，使得样品勺27完全没入铁水沟26中的铁水液面之下，停顿数秒后，升降机17自行驱动连接杆19和样品勺27垂直向上运动，到指定位置停止，随后激光测距仪24对其到铁水液面之间的垂直距离进行快速测量并反馈给升降机17，升降机17自行驱动样品勺27微调样品勺27的高度，使得每次测量时样品勺27内铁水液面均处于相同的高度位置，该位置信息为预先优化设定的，在该位置下，激光光谱质量最高。

样品勺27位置微调完毕后，升降机17将位置确定完毕指令反馈到计算机21，计算机21随即向激光器电源18发出激发激光的指令，激光器腔体14沿水平方向发射出脉冲激光，激光经过激光扩束系统后，发散角降低，激光束直径增大，随后扩束后的激光被二向色镜10反射并改变传播方向为垂直向下，继而通过激光聚焦镜16进行会聚，激光会聚焦点在铁水液面以下某处。在激光烧蚀、激发作用下等离子体产生，等离子体在膨胀冷却的过程中发射光线，发射光线穿过上方的激光聚焦透镜16变成平行光线，随后继续穿透二向色镜10，并被安装在二向色镜10上方的采集凸透镜9会聚到光收集器8的表面，进而通过光纤5传输到光谱仪1狭缝的入口处，光谱仪1对收集到的等离子体发射光线进行分光。

此外，在上述激光器激发激光时，激光器触发的信号同时传递给时序控制器3，通过时序控制器3的精确延时控制随后触发光电探测器2，因此，在激光器发射脉冲激光一段时间后，光电探测器2才开始工作并探测经过光谱仪1分光后的各谱线的强度，而激光器与光电探测器2之间的时间延迟是经过实验优化得到并保持固定不变。光电探测器2将检测得到的光谱强度值通过第一数据线4反馈给计算机21并保存。为了降低脉冲能量稳定性等带来的影响，检测到的光谱为多次激发等离子体光谱的累加结果。

光谱检测结果经过数据线传输到计算机后，由光谱定量分析软件对光谱进行解析，并基于此推算出当前铁水中硅含量值。检测完毕后，计算机21向升降机17发出指令，升降机17驱动连接杆19旋转90度，进而使得样品勺27将其中的铁水倒入铁水沟26中，然后升降机17驱动连接杆19恢复原位，准备下一次检测。

在工作状态时，安装在光路保护外壳15侧壁的气体喷嘴23一直保持喷吹气体的状态，防止粉尘沿激光光路出口进入光路内部，影响光学元件的正常使用。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置，其特征在于：装置安装在铁水沟(26)正上方，由铁水样在线采集系统、激光发射系统、时序控制系统、光谱采集与探测系统、同轴采集光路系统组成，各系统均与计算机相连；

其中所述铁水样在线采集系统包括样品勺(27)、连接杆(19)、升降机(17)、激光测距仪(24)、第二数据线(25)和第四信号线(22)；

所述样品勺(27)的形状为圆柱形、圆台形或棱柱形，上表面开口，下表面封闭，材质为铸铁或耐高温陶瓷材料；所述连接杆(19)为连接样品勺(27)与升降机(17)的金属杆，材质为高温合金，其中连接杆(19)与样品勺(27)的连接方式为焊接，与升降机的连接方式为机械固定；所述升降机(17)能驱动连接杆(19)与其连接的样品勺(27)上下移动，同时能驱动连接杆(19)进行转动，升降机(17)与计算机(21)之间通过第四信号线(22)进行信号传输；所述激光测距仪(24)固定在样品勺正上方，通过激光测距仪(24)测量其与样品勺内铁水液面之间的垂直距离，将距离信息通过第二数据线(25)反馈到升降机(17)并驱动升降机(17)对样品勺位置进行微调，使得每一次检测时铁水液面位置在空间上始终处于设定高度。

2.根据权利要求1所述的一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置，其特征在于：所述激光发射系统由激光器电源(18)、激光器腔体(14)、第二信号线(13)和第三信号线(20)组成；待样品勺(27)位置调整完毕后，计算机(21)发出激发信号通过第三信号线(20)传递给激光器电源(18)，激光器电源(18)通过第二信号线(13)传递给激光器腔体(14)，激光器腔体(14)随即发出多束脉冲激光，沿水平方向传播。

3.根据权利要求1所述的一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置，其特征在于：所述时序控制系统由时序控制器(3)、第五信号线(28)和第一信号线(7)组成，所述时序控制器(3)通过第五信号线(28)和第一信号线(7)分别连接激光器电源(18)和光电探测器(2)；激光器每触发一次就通过第五信号线(28)传递一个电信号给时序控制器(3)，时序控制器(3)在一定时间延迟后通过第一信号线(7)传递一个电信号给光电探测器(2)，通过时序控制器(3)触发光电探测器(2)开始探测光谱强度。

4.根据权利要求1所述的一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置，其特征在于：所述光谱采集与探测系统由光收集器(8)、光纤(5)、光谱仪(1)、光电探测器(2)和第一数据线(4)组成；光收集器(8)安装在采集凸透镜(9)正上方，等离子体发射光线被光收集器(8)收集并耦合进入光纤(5)，通过光纤(5)传导进入光谱仪(1)狭缝入口，光谱仪(1)通过光栅对等离子体发射光线进行分光，光电探测器(2)在接收到时序控制器(3)的电信号后对等离子体发射光谱进行强度检测，并将检测结果通过第一数据线(4)传输到计算机(21)。

5.根据权利要求1所述的一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置，其特征在于所述同轴采集光路由激光扩束系统、二向色镜(10)、激光聚焦镜(16)、采集凸透镜(9)、光路保护外壳(15)、气体喷嘴(23)组成；所述激光扩束系统由一个输入凹透镜(12)和输出凸透镜(11)组成；输入凹透镜(12)和输出凸透镜(11)相互平行且与激光光轴垂直，激光扩束系统的作用是降低激光发散角，增加激光束直径，以便于远距离传输时更好地聚焦；所述二向色镜(10)与水平光轴的角度为45°；所述激光聚焦镜(16)安装在二向色镜(10)正下方；激光聚焦镜(16)的焦点调节至样品勺内铁水表面下方，采集凸透镜(9)安装在二向色镜(10)正上方，光收集器(8)位于采集凸透镜(9)的焦点位置；所述光路保护外壳(15)将整个同轴采集光路包含在内；光路保护外壳(15)的形状呈F形，材质为绝热材料，光路保护外壳(15)下部靠近样品勺处，管道直径缩小；所述气体喷嘴(23)安装在光路保护外壳(15)下部侧壁，气体喷嘴(23)方向为斜向下。

6.根据权利要求1所述的一种高炉铁水硅含量在线快速检测装置，其特征在于：整个装置外部用绝热外壳(6)进行保护，绝热外壳(6)外部为绝热材料，内衬为高强度钢板。

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