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专利名称：基于激光诱导击穿光谱法的钢水成分实时在线检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及钢水成分实时在线检测系统，具体是ー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ー个重要条件。已公知的钢水成分检测方法有
①经验法。经验法是炼钢エ依据转炉吹炼过程中炉ロ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，部分炼钢エ也可判断P、S 的含量。该方法判断结果显然依赖于炼钢エ的经验，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，由定碳热偶測定其凝固温度，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エ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g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
ー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。更进一歩，所述氧枪枪身由四层同心无缝钢管构成，中心管与ニ层管环隙为氧气通道，ニ、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。


图I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。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例详述本发明。如图I所示，本发明系统结构由氧枪喷头I、氧枪枪身2、激光传导光纤3、激光器
4、脉冲控制器5、计算机6、多通道光谱仪7、传导光纤束8、氧枪升降装置9组成，激光传导光纤3、激光器4、脉冲控制器5组成信号激发系统，激光传导光纤3由氧枪枪身2内的中心管进入，其激光传导光纤头17延伸至中心管端头(见图2、图3);计算机6、多通道光谱仪7、 传导光纤束8组成信号采集处理系统，传导光纤束8由氧枪枪身2内的中心管进入，其传导光纤束头18延伸至中心管端头(见图2、图3);计算机6与多通道光谱仪7、脉冲控制器5之间由数据线连接，脉冲控制器5与激光器4之间由数据线连接。參见图2，本实施例中的氧枪由氧枪喷头I和氧枪枪身2两部分组成，氧枪枪身2 由四层同心无缝钢管构成，中心管为氩气及光纤通道10，中心管与ニ层管环隙为氧气通道 11，ニ、三层管环隙为冷却水进水通道12，三、四层管环隙为冷却水出水通道13 ;氧枪喷头I 在其中心位置嵌入有耐高温高压透镜14，耐高温高压透镜14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15。本系统工作吋，高压氧气通过氧气喷孔16按设计角度喷出而进行正常的氧气吹炼，同时，由中心管供给的高压氩气则由侧向保护孔4喷出以冷却中心处的耐高温高压透镜14，同时在喷头处形成氩气保护环境以防等离子体光谱为空气吸收，氧枪喷头I的中心处嵌入的耐高温高压透镜14，可承受≤2150°C高温和≤600MPa的压力。
氧气吹炼时，高压氧气吹开渣面及钢水，并在各吹氧点露出马蹄形坑，此时启动激光器4，激光器4在脉冲控制器5的控制下产生高能激光脉冲，该高能激光脉冲经激光传导光纤3传输至激光传导光纤头17，再经耐高温高压透镜14聚焦在钢液表面，激发点钢液形成高温高密度的等离子体，等离子体冷却后形成发射光谱，该发射光谱经耐高温高压透镜 14汇聚在传导光纤束头18处(见图3，激光传导光纤头17位居中心，其周围是传导光纤束头18)，再由传导光纤束8传输至多通道光谱仪7。该发射光谱元素特征谱线的强度与钢水成分含量有夫，多通道光谱仪7真实记录钢水不同成分被激发形成的特征谱线，进行光谱分辨后送入计算机6进行处理，计算机6可按标定曲线对钢液成分进行实时光谱分析，进而获得钢水成分。吹炼完成时，氧枪由氧枪升降装置9上提至炉ロ处时停氧气(或氮气)，同时中心管停吹IS保护气。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围。
权利要求
1.ー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，其特征在于，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。
2.如权利要求I所述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，其特征在于，所述氧枪枪身由四层同心无缝钢管构成，中心管与ニ层管环隙为氧气通道，ニ、三层间隙及三、四层间隙为冷却水进、出通道。
全文摘要
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，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。本发明可实现实时在线钢水成分连续检测。
文档编号G01N21/63GK102608080SQ201210056558
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者景会成, 杨友良, 马翠红 申请人:唐山赛福特电子信息工程有限公司