[发明专利]基于激光诱导击穿光谱法的钢水成分实时在线检测系统

说明书

技术领域：

    本发明涉及钢水成分实时在线检测系统，具体是一种基于激光诱导击穿光谱法的钢水成分实时在线检测系统，用于转炉钢水在线成分检测以及辅助炼钢终点判断。

背景技术：

转炉炼钢过程钢水的成分检测及控制是保证冶炼钢水质量的一个重要条件。已公知的钢水成分检测方法有：

①经验法。经验法是炼钢工依据转炉吹炼过程中炉口喷溅出的金属液滴遇空气氧化爆裂的情况及炉口火焰颜色、亮度及形状来判断钢水含碳量、温度，部分炼钢工也可判断P、S的含量。该方法判断结果显然依赖于炼钢工的经验，精度无法保证。目前国内一部分中小企业依然采取该方法来进行冶炼终点判断。

②副枪法。副枪是为了不倒炉快速检测转炉熔池钢水温度、碳含量和氧含量、液面高度，获得熔池钢水样、渣样，提高炼钢生产率、钢质量以及改善各项指标扩大品种而设计的。副枪成分分析主要是定碳，副枪定碳是使一定量的钢液在取样杯凝固，由定碳热偶测定其凝固温度，根据凝固温度与钢液含碳量的对应关系来推断钢液含碳量。钢液其他成分由取得样品离线分析获得。副枪成分监测过程测试探头是大宗消耗品，副枪体积大、成本高，副枪只能大型转炉中使用。副枪检测一般在一个冶炼周期用两次，显然为不连续检测。

③火花直读光谱仪或荧光光谱分析法。该方法是将人工取样或副枪取样获得的样品进行处理后对样品成分进行离线光谱分析，分析结果检出性强、精度高。但显然分析的实时性差、分析过程周期长。

④炉气分析法。烟气分析法是在转炉冶炼过程中，在静态模型的基础上,利用质谱仪在线分析烟气成分(包括CO、CO₂、N₂、Ar₂、O₂和H₂)、温度和流量等信息，通过动态模型计算，实时在线预报钢水中的C、Si、Mn、P、S等成分和温度的变化,并对化渣状况进行模式识别和喷溅预报，在线调整吹氧和造渣工艺以提高控制精度和命中率。炉气成分分析法能够在线获得转炉成分信息，但上述信息是通过转炉炼钢的静、动态模型计算得到的，结果的精度依赖于模型的准确性。

以上所述钢水成分检测方法，都存在着自己的缺陷，不能满足实时、连续、高精度的钢水成分分析要求。

发明内容：

本发明旨在解决现有钢水成分检测方法存在的诸多缺陷，而提供一种实时、连续、高精度的基于激光诱导击穿光谱法的钢水成分实时在线检测系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于激光诱导击穿光谱法的钢水成分实时在线检测系统，包括氧枪、信号激发系统、信号采集处理系统，所述氧枪枪身在其氧气通道内设置有用于氩气及光纤通道的中心管，所述氧枪喷头在其中心位置嵌入有耐高温高压透镜，该耐高温高压透镜外周缘设置有与氩气通道连通的冷却、保护透镜的侧向吹扫孔；所述信号激发系统包括激光器和激光传导光纤，该激光传导光纤由所述中心管进入，其激光传导光纤头延伸至所述中心管端头；所述信号采集处理系统包括传导光纤束头、多通道光谱仪及计算机，该传导光纤束由所述中心管进入，其传导光纤束头延伸至所述中心管端头。

更进一步，所述氧枪枪身由四层同心无缝钢管构成，中心管与二层管环隙为氧气通道，二、三层间隙及三、四层间隙为冷却水进、出通道。

本发明这样的系统结构，使氧枪除了能够完成正常的吹氧及氮气喷溅外，还能完成对钢液激发及光谱的采集。信号激发系统产生ns级高能脉冲激光，由激光传导光纤传送至氧枪喷头处的耐高温高压透镜，该透镜将高能脉冲激光汇聚在吹氧点处，熔融钢液被高能脉冲激光激发形成等离子体；信号采集处理系统采集等离子体冷却发射形成的光谱，并对光谱进行分析、处理，以完成对钢水成分的检测。

与现有技术对比，本发明有如下特点：

①可真正实现钢水冶炼过程的全程在线实时连续成分分析；

②响应速度快；

③进行成分分析的同时亦可实现可视化炼钢。

附图说明：

图1为本发明系统组成结构示意图。

图2 为本发明氧枪结构示意图。

图3为激光传导光纤头和传导光纤束头布置示意图。

图中：1-氧枪喷头，2-氧枪枪身，3-激光传导光纤，4-激光器，5-脉冲控制器，6-计算机，7-多通道光谱仪，8-传导光纤束，9-氧枪升降装置，10-氩气及光纤通道，11-氧气通道，12-冷却水进水通道，13-冷却水进出水通道，14-耐高温高压透镜，15-侧向吹扫孔，16-氧气喷孔，17激光传导光纤头，18-传导光纤束头。