LIBS 技術(shù)在冶金成分在線檢測中的應(yīng)用

文/徐 勇 程利振 金澤志 潘從元 賈軍偉 ( 1.合肥金星機(jī)電科技發(fā)展有限公司；.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司金冠銅業(yè)分公司；3.工業(yè)圖像處理與分析安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

冶煉過程自動(dòng)化是冶金工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，包括多目標(biāo)實(shí)時(shí)優(yōu)化、全面閉環(huán)控制、在線連續(xù)測量等。冶金成分控制與生產(chǎn)效率、冶煉能耗、產(chǎn)品品質(zhì)和設(shè)備安全等息息相關(guān)，冶煉全流程經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的核心在于冶金成分的在線連續(xù)測量和優(yōu)化控制。

目前，冶煉過程中冶金成分得測量主要采用化學(xué)分析法、X 射線熒光法（XRF）、光電光譜法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）等離線檢測方法。由于需要取樣和制樣，檢測結(jié)果具有一定的滯后性，造成原料混料配比時(shí)無法實(shí)時(shí)反饋成分信息，生產(chǎn)過程無法快速調(diào)整工藝參數(shù)，制約了生產(chǎn)精細(xì)化程度的提升，影響了爐況穩(wěn)定性和冶煉受控程度，進(jìn)而增加了冶煉能源消耗和生產(chǎn)成本。而且，受熔體噴濺和高溫?zé)煔獾扔绊懀邷厝垠w的人工取樣過程也存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，優(yōu)化冶煉過程中冶金成分的在線檢測技術(shù)成為目前冶煉領(lǐng)域的迫切需求。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）技術(shù)是一種新型的成分檢測技術(shù)，由于具有可實(shí)時(shí)原位在線檢測、可多元素同時(shí)快速檢測、適應(yīng)不同的檢測環(huán)境能力強(qiáng)以及可遠(yuǎn)程非接觸檢測等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為元素分析檢測領(lǐng)域的“超級(jí)巨星”。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，LIBS 技術(shù)已成功應(yīng)用于冶金、資源勘探、太空探索和材料分選等領(lǐng)域，是目前國際元素分析檢測領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是目前唯一可以實(shí)現(xiàn)高溫熔體成分直接在線檢測的技術(shù)。本文利用GS-LIBS2200 激光成分分析儀，通過長期現(xiàn)場測試，獲得了LIBS 設(shè)備在線檢測和XRF取樣檢測的對(duì)比結(jié)果，證實(shí)了GS-LIBS2200 檢測設(shè)備用于高溫熔體成分在線檢測的長期穩(wěn)定性和可靠性。

一、實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備

GS-LIBS2200 激光成分分析儀，如圖1 所示，可用于冶金現(xiàn)場高溫熔體、塊狀固體以及粉末顆粒等物料成分的在線檢測，檢測距離1.0～4.0 m 可調(diào)。設(shè)備具有本地機(jī)柜面板操作和遠(yuǎn)程軟件操作兩種操作模式，設(shè)備的工業(yè)化設(shè)計(jì)適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的高溫高濕、粉塵煙氣和電磁輻射等應(yīng)用環(huán)境，配套的應(yīng)用軟件LIBS-InsightEye 慧眼軟件具備設(shè)備控制、狀態(tài)顯示、結(jié)果顯示、報(bào)表統(tǒng)計(jì)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 GS-LIBS2200 激光成分分析儀

2.檢測樣品

本文檢測樣品為銅陵有色集團(tuán)金冠銅業(yè)奧爐電爐熔煉生產(chǎn)冰銅和金川集團(tuán)鎳冶煉廠沉降爐低鎳锍，所檢測的樣品均為流動(dòng)狀態(tài)的高溫熔體。

3.檢測方法

為了減小現(xiàn)場煙氣粉塵和熔體液面波動(dòng)等因素影響，使用GS-LIBS2200 單次測量過程中采用連續(xù)出光3 000次脈沖，以保證采集足夠數(shù)量的有效光譜，整個(gè)檢測過程耗時(shí)約3 min。然后對(duì)檢測后的熔體進(jìn)行取樣，待取樣樣品冷卻后送往化驗(yàn)室經(jīng)過研磨和壓片后，使用XRF 設(shè)備進(jìn)行對(duì)比分析，整個(gè)檢測過程平均耗時(shí)30 min以上，最長可達(dá)數(shù)小時(shí)。

二、結(jié)果與討論

1.熔體冰銅檢測

GS-LIBS2200 激光成分分析儀現(xiàn)已成功應(yīng)用于銅陵有色集團(tuán)銅冶煉現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)了高溫熔體中Cu 元素等關(guān)鍵成分的在線檢測。為了降低溜槽附近高溫和熔體飛濺的干擾，設(shè)備所用檢測距離為2.5 m。

本文對(duì)比了2020 年6 月19 日—2020 年8 月18 日共計(jì)360 爐次的冰銅熔體中Cu 元素GS-LIBS2200 在線檢測和XRF 取樣檢測結(jié)果，二者具有很好的一致性，檢測結(jié)果對(duì)比如圖2 所示。

不考慮人員取樣等因素的影響以及XRF 技術(shù)自身產(chǎn)生的檢測誤差，359 爐次中的 324 爐次的GS-LIBS2200 在線檢測結(jié)果和XRF 取樣檢測結(jié)果偏差小于1%，占總爐次的90%。如考慮取樣等因素引起的誤差和XRF 的檢測誤差，將二者偏差擴(kuò)大至1.5%，則檢測偏差小于1.5%的爐次為356 爐次，占總爐次的98.9%。

2.熔體低鎳锍檢測

GS-LIBS2200 激光成分分析儀也已完成在金川集團(tuán)鎳冶煉廠沉降爐低鎳锍的現(xiàn)場測試，實(shí)現(xiàn)了Ni、Cu、Fe、Co 等關(guān)鍵元素的在線檢測。同樣，為了降低冶煉現(xiàn)場的高溫和熔體飛濺干擾，設(shè)備的檢測距離設(shè)置為2.5 m。

本文對(duì)比了2020 年7 月14 日—2020 年8 月6 日共計(jì)96 爐次的低鎳锍熔體中Ni 元素GS-LIBS2200 在線檢測和XRF 取樣檢測結(jié)果，二者具有很好的一致性，結(jié)果對(duì)比如圖3 所示。

不考慮人員取樣等因素的影響以及XRF 技術(shù)自身產(chǎn)生的檢測誤差，96 爐次中86 爐次的Ni 元素GS-LIBS2200 在線檢測結(jié)果和XRF 取樣檢測結(jié)果偏差小于1%，占總爐次的89.6%，說明了GS-LIBS2200 激光成分分析儀在線檢測具有較好的穩(wěn)定性。

3.在線檢測可靠性

通過對(duì)低鎳锍中微量元素Pb 元素檢測結(jié)果對(duì)比，分析了GS-LIBS2200 激光成分分析儀的在線檢測可靠性，結(jié)果對(duì)比如圖4 所示，96 爐次中90 爐次Pb 元素結(jié)果偏差小于0.015%，占總爐次的93.8%。

圖2 熔體冰銅Cu 元素檢測結(jié)果對(duì)比

圖3 低鎳锍Ni 元素檢測結(jié)果對(duì)比

圖4 低鎳锍Pb 元素檢測結(jié)果對(duì)比

以檢測結(jié)果中誤差較大點(diǎn)的相鄰時(shí)間段的結(jié)果進(jìn)行分析，XRF 取樣檢測結(jié)果在相鄰的數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)從0.082wt.%左右升高至1.3wt.%，然后又恢復(fù)至0.078wt.%左右。LIBS 在線檢測結(jié)果也表現(xiàn)出與XRF 取樣檢測相似趨勢，但一直保持在0.08wt.%左右。對(duì)當(dāng)天現(xiàn)場工藝復(fù)核，確認(rèn)當(dāng)天未進(jìn)行明顯工藝調(diào)整且路況正常。表明了LIBS 在線檢測結(jié)果與熔體的實(shí)際成分更加吻合，且在線連續(xù)檢測可以有效降低由于取樣偶然性等因素所引起的檢測誤差。檢測結(jié)果對(duì)比如圖5 所示。

圖5 低鎳锍Pb 元素部分檢測結(jié)果對(duì)比

以上結(jié)果表明，LIBS 技術(shù)的在線檢測結(jié)果和XRF 技術(shù)的取樣檢測結(jié)果及趨勢具有較好的一致性，而且GS-LIBS2200 激光成分分析儀具有較好的長期測量結(jié)果的穩(wěn)定可靠性及對(duì)冶煉現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。

三、結(jié)語

基于LIBS 技術(shù)的GS-LIBS2200 激光成分分析儀用于冶煉現(xiàn)場冶金成分的長期在線檢測，避免了人工取樣等因素造成的檢測誤差，突破了傳統(tǒng)離線檢測方法的滯后性限制，不僅有助于縮短檢測時(shí)間、降低生產(chǎn)成本及提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平，也有助于冶煉工藝的改進(jìn)和冶煉品質(zhì)的提升。激光成分分析儀用于冶煉過程冶金熔體成分的在線檢測可以滿足冶煉行業(yè)智慧工廠建設(shè)中所需的高效、優(yōu)質(zhì)、低耗和環(huán)保等迫切需求，同時(shí)為冶煉生產(chǎn)過程精細(xì)化控制、金屬平衡完善和信息化管理提供必要準(zhǔn)備。[本文為2019 年合肥市借轉(zhuǎn)補(bǔ)關(guān)鍵技術(shù)重大研發(fā)類項(xiàng)目“冶金物料成分在線檢測設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：J2019G13）的研究成果。 ]