內窺鏡在基于LIBS的鋼液分析裝置中的應用

改造者：楊友良 鄧 賀

內窺鏡在基于LIBS的鋼液分析裝置中的應用

改造者：楊友良 鄧 賀

本文根據近年來國內外學者提出的基于LIBS的鋼液分析裝置的相關設想，提出了一種設計方案。按照所考察的鋼鐵冶煉實際環境，檢索市場上可購買到的實際物料，按照物料的特性，在考慮成本的因素下，設計一套實驗裝置，力求用物理方式抵消環境因素對所收集的實驗數據的影響。該設計方案增加了分析裝置的靈活性和適應性以便其應用于各種不同型號的煉爐。

隨著冶金制造、鋼鐵冶煉的自動控制技術的發展，鋼液成分的實時定量分析已經成為生產過程中的一個重要工藝環節。實時的測定鋼液成分對于改進生產工藝，提高生產效率，降低生產成本有著非常重要的作用。

目前國內外的一些先進鋼鐵企業已經開始采用在線的實時檢測系統，用其來對冶煉過程進行檢測。這些方法包括：1.火花光譜法；2.金屬氣溶膠顆粒光譜法（例如電感耦合等離子體法ICP）。可以通過氣動，超聲，化學（同鹵素反應），火花等方法制造這種氣溶膠顆粒；3.LD轉爐高溫點的原子發射4.激光誘導擊穿光譜法（LIBS）等。

然而，在鋼鐵行業，很多實際的困難減慢了這些方法的發展速度，影響因素大體如下：1）冶煉環境下的高溫粉塵和煙霧；2）冶煉過程中鋼液和鋼渣會飛濺；3）電氣元件普遍不耐熱；4）光學元件容易受熱變形和被鋼液污染；5）冶煉設備的電磁干擾和振動；6）鋼包高溫和巨大的體積使鋼液表面與測量裝置間的距離很遠；7）測量過程中，容易出現事故；8）定標曲線和校隊方法缺乏；9）碳，硫，磷等主要非金屬元素的發射光譜為紫外光（180～200 mm），很容易被空氣和光纖所吸收。

現階段國內基于LIBS的鋼液成分檢測研究所用的平臺都是在實驗室環境下的理想平臺。對于影響激光誘導擊穿光譜法（LIBS）的環境因素，大多實驗室是用軟件算法來剔除。本文旨在研究用硬件剔除不利的環境因素，使鋼液分析裝置更貼近工業生產。

基于LIBS的鋼液成分在線監測裝置的整體結構

裝置的結構

裝置包括：內窺鏡、控制內窺鏡活動的機械臂、光譜發生收集裝置、真空光路分路裝置、中控計算機、載物平臺、水冷裝置、氣體增壓裝置。內窺鏡31包括焦距調節透鏡組29、聲波測距儀5。真空光路分路裝置13包括出射光通道33、入射光通道34。入射光通道33包括平面窗口18、平凹鏡15、平凸鏡14、鍍鋁反射鏡12、二向色鏡10、光纖耦合器Ⅱ9。出射光通道包括左凸透鏡11、右凸透鏡11、光纖耦合器Ⅱ9、光纖耦合器Ⅰ。光譜發生收集裝置包括激光器20、光譜儀21、空調裝置19。平臺結構圖如圖1 所示。

圖中各標號為：1-鋼液；2-鋼渣層；3-倒錐形窺鏡頭；4-煉爐；5-超聲波測距模塊；6-水冷裝置；7-光纖；8-氣體管道；9-光纖耦合器Ⅱ；10-二向色鏡；11-左凸透鏡、右凸透鏡；12-鍍鋁反射鏡；13-真空光路分路裝置；14-平凸鏡；15-平凹鏡；16-真空泵；17-光纖耦合器Ⅰ；18-平面鏡片；19-空調裝置；20-激光器；21-光譜儀；22-中控計算機；23-載物平臺；24-水泵；25-氣泵；26-機械臂；27-平面鏡片；28-下平凸鏡；29-焦距調節透鏡組；30-上平凸鏡；31-內窺鏡；32-光纖耦合器Ⅲ；33-入射光通道；34-出射光通道。

圖1 基于LIBS的鋼液成分在線監測裝置結構圖

各部分細節

光纖采用藍寶石光纖。內窺鏡采用硬管內窺鏡，內窺鏡整體采用剛玉管，水冷管路6采用銅制材料，剛玉管熔點上限為1800oC，銅管在水冷條件下也不會融化在鋼液中。兩種材料和鋼液成分有很大區別，幾乎不會對檢測結果產生影響；內窺鏡前部如圖2所示。

焦距調節透鏡組安裝在內窺鏡的前部，由銅材料做成管壁，由一個小電機帶動下平凸鏡移動，來達到移動鏡片，調節焦距的目的。氣體管道中安裝超聲波測距模塊，節省空間，氣體流動降低了溫度，對測距模塊起到保護作用。所有透鏡和平面鏡片均采用MgF2材料，以增強對紫外光的透射。焦距調劑結構如圖3所示。

圖2 內窺鏡前部結構圖

圖3 焦距調節結構圖

裝置的運行

測量分析時，中控電腦產生一定頻率的TTL方波信號使光譜儀開始工作，光譜儀以TTL方波信號的上升沿為起點開始計時，按照待測元素的最佳延遲測量時間，發射數目、頻率和方波信號相同延時信號給激光器。激光器按照信號發射脈沖激光。激光通過安裝在正對激光器的平面透鏡進入真空光路分路裝置。為了減少氣體電離和激光對光學器件造成的損傷，激光進入分路裝置后，用擴束透鏡組（平凹鏡和平凸鏡）對激光進行擴束，擴束后的激光方向被鍍鋁反射鏡從水平變成垂直。二向色鏡再次改變激光方向使其可以被凸透鏡聚焦。聚焦后的激光通過光纖耦合器II，藍寶石光纖和光纖耦合器III到達內窺鏡的焦距調節透鏡組中。激光經光纖耦合器III照射到焦距調節透鏡組的上平凸鏡后變成平行光，再由下平凸鏡聚焦在鋼液表面形成等離子體；等離子體發射光沿原路返回，依次經過平面鏡片、下平凸鏡和上平凸鏡聚合后，由光纖耦合器III、光纖傳至真空光路分路裝置內，再依次經過右凸透鏡、二向色鏡、左凸透鏡、光纖耦合器I、光纖傳輸至光譜儀。經過光譜儀分析處理之后，實時的光譜數據發送至中控計算機。收集重復多次的光譜數據之后，中控計算機再次對數據進行信號增強、待測元素光譜波段篩選、間隔偏最小二乘歸一等數據處理，給出各元素的測量數據。在細節上，二向色鏡是用來反射激光并使波長在激光波段之外的等離子體光譜通過；為了便于內窺鏡直接插入鋼液中，用氣體增壓裝置給內窺鏡前端吹入保護性氣體（氬氣、氦氣等），填充內窺鏡前端的倒喇叭口。而且在氬氣、氦氣等背景氣體環境下，等離子體光譜強度會增強，噪聲影響會下降。另外增加內窺鏡前部的氣壓，可防止鋼液接觸到焦距調節透鏡組；水冷裝置的作用是防止內窺鏡的溫度過高而使其內的光學器件受到高溫損壞。

結語

本文結合冶煉過程中的實際環境，市場上的物料情況，給出了一種貼近工業應用的設計方案，結合實驗室模擬的該模型的構建以及相關參數，力求用物理方式更多的抵消環境因素對所收集的檢測數據的影響，使最終要處理的數據更加準確。

由于煉鋼技術的不斷發展，新式煉爐不斷的被應用，各種煉爐爐體結構有很大差異，該硬管工業內窺鏡并不能適用于所有爐體。為了讓該系統更普遍的適用于各種煉爐，探索軟管內窺鏡代替硬管內窺鏡就變的很有意義。軟管內窺鏡可以彎曲的進入爐內，對煉爐的爐位要求較少，也更容易到達鋼液的表面。現階段軟管內窺鏡的難點在于尚未尋求到一種合適的耐高溫材料作為內窺鏡的外管體。

另外方案采用的都是公知產品，每種產品自帶的軟件協同性差，在編寫協同程序上面需要深入研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.019