[發明專利]遠距離冶金液態金屬成分的原位、在線檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201310303439.7
• 申請日: 2013-07-15
• 公開（公告）號: CN104297218A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 孫蘭香;于海斌;辛勇;齊立峰;李洋;叢智博
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富

技術領域

本發明涉及高溫液態成分遠距離在線監控技術領域，具體地說是一種遠距離冶金液態金屬成分的原位、在線檢測裝置及方法。

背景技術

金屬及合金在冶煉過程中需要檢測化學成分的變化，以此控制產品質量，并判斷冶煉終點。目前，由于缺乏先進的在線測量技術，冶煉過程普遍采用人工取樣和制樣的離線檢測方式。例如，在煉鋼過程中，對高溫鋼液的檢測需要通過取樣、冷卻、打磨、拋光等一系列過程后，再拿到分析儀器上進行測量和分析，整個過程需要花費3～5分鐘時間，占去冶煉時間的十分之一以上。這種費時的離線檢測方式不僅造成質量控制落后，同時也造成大量能源浪費。

近年來，隨著冶金行業生產模式的日益大型化、高速化和連續化，對原位、在線檢測液態金屬成分技術的需求日漸迫切，開始出現基于激光誘導擊穿光譜技術（LIBS）的在線檢測裝置。LIBS是一種利用激光激發等離子體，再利用等離子體的發射光譜進行探測的技術。由于LIBS技術不需要樣品預處理，同時適用于固體、液體、氣體，因此在原位、在線、快速、遠程分析方面展現出卓越的應用價值。但是，現有的基于LIBS技術的熔體金屬在線檢測裝置都以近距離探測為主，并且探測距離不可調節，在耐高溫探頭部分都會有光學結構的存在，且結構復雜，這在高溫環境下，例如針對1700℃鋼液的測量，其工作可靠性與安裝、使用的靈活性都會有很大限制。而現有應用于其他領域的可變探測距離的LIBS技術，其產生的光譜較弱，且穩定性較差，并不能很好的應用于金屬冶煉的高溫復雜環境，并且大都為開放式光路結構，開放空間中的空氣對紫外和深紫外光譜有強烈的吸收，這樣其對紫外和深紫外光譜無法進行有效的探測。而有些非金屬元素，例如C、S、P等元素，是質量控制和冶煉終點判斷最重要的元素，因此對這些元素的在線測量意義重大，其等離子體特征光譜主要分布在紫外和深紫外區域，所以目前現有的在線檢測裝置無法靈活的檢測這些元素，因此應用范圍相對狹窄。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種為質量控制和冶煉終點提供及時有效的信息的冶金液態金屬成分的原位、在線檢測裝置及方法，大大縮短了檢測時間，探測距離可大范圍調節，可靈活安裝與使用，大幅提高產品質量、降低生產成本及降低能源消耗；并且應用雙脈沖方法，可以有效的提高光譜質量，抑制噪聲，增強測量結果的準確行與穩定性；能夠實現對C、S、P等難測成分的測量。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：

一種遠距離冶金液態金屬成分的原位、在線檢測裝置，

前端耐高溫探頭18，其頭部置入液態金屬22中，尾部與中端光學傳感裝置19同軸連接，連接處裝有光學窗口15，中端光學傳感裝置19通過信號線25連接后端控制平臺24。

所述中端光學傳感裝置19中，在激光發生模塊6發出激光光束的軸線方向同軸設置遠程擴束聚焦模塊7；

第一反射鏡9設置在遠程擴束聚焦模塊7出射方向的光軸上，與其光軸成45度角，第二反射鏡10設置在遠程信號收集模塊11入射方向的光軸上，與其光軸成45度角，第一反射鏡9與第二反射鏡10的中心連線與遠程擴束聚焦模塊7、遠程信號收集模塊11的軸線垂直；

在遠程信號收集模塊11出射方向的光軸上分別設置分光片20和光纖耦合模塊13，光纖耦合模塊13通過光纖21連接光纖光譜儀14，光纖光譜儀14通過信號線25連接后端控制平臺24；

實時成像模塊12垂直設置于分光片20反射方向的光軸上，并通過信號線25連接后端控制平臺24。

所述前端耐高溫探頭18為倒錐形，內部充入惰性氣體，使激發的激光光束與收集的等離子體信號光的光路處于密閉惰性氣體環境。

所述后端控制平臺24包括激光器電源和控制單元1、時間同步控制器2、進氣控制單元3和位移平臺控制單元4，上述單元均通過信號線25連接中端光學傳感裝置19。

還包括在第一反射鏡9與第二反射鏡10中心連線方向上設置激光測距模塊8，激光測距模塊8通過信號線25連接后端控制平臺24。

所述中端光學傳感裝置19中，還包括溫度控制模塊5，并通過信號線25連接后端控制平臺24；所述溫度控制模塊5包括溫度傳感器和溫度調節裝置，用于對中端光學傳感裝置19的內部溫度實時監測與調節。

所述激光發生模塊6包括兩組激光頭、半波片和偏振分光片；

所述半波片同軸設置于激光頭的激光出射方向的光軸上，且垂直于光軸；

所述偏振分光片同軸設置于半波片的出射方向的光軸上，與光軸成布儒斯特角角度，且第二偏振分光片31能夠接收到第一偏振分光片30反射的激光光束。