液態金屬成分在線分析儀對鋁合金熔煉過程的影響

劉 學，辛 勇，李洪林，侯北晨，馬 多

(1.遼寧忠旺集團有限公司 忠旺研究院，遼寧 遼陽 111003；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016)

鋁合金產品在生產制造過程中，鑄錠質量像DNA決定最終鋁材制品的質量，因此，鋁合金的熔煉鑄造過程在鋁加工整個流程中起著決定性作用。目前，鋁合金在熔煉過程中，成分檢測主要采用人工取樣的方式，工人通過取樣夾取樣送至檢測室檢驗合金成分。取樣過程中，不僅需要開關爐門造成鋁液熱量損失，而且整個采樣過程屬于離線檢測，不能實時反映鋁液的合金成分，致使生產效率低，同時造成了鋁液燒損，嚴重消耗了企業的原材料和天然氣使用。要減少鋁合金熔煉過程中的燒損和能耗，可以采用降低熔煉溫度、縮短等待時間等方法來實現，使用快速準確的在線檢測儀器可以有效縮短檢測等待時間，從而減少金屬原料和天然氣的損耗。

1 工藝技術路線

在線實時成分檢測技術，最早出現在煉鐵行業中。蒂森克虜伯Duisburg廠2008年、柳鋼燒結廠2014年、寶鋼股份煉鐵部燒結分廠2016年、鞍鋼東鞍山燒結廠2017年均安裝在線實時成分檢測設備，另外在線實時成分檢測在鋼鐵行業前端的礦山行業已經廣泛應用于來料分級、料堆質量管理、原料配料、細粒、中粒、大塊產品監測等[1-6]。此技術目前也應用于電力領域[7]，但對于在鋁合金熔煉過程中成分檢測的應用研究以及報道較少。

我公司使用的液態金屬成分在線分析儀為中國科學院沈陽自動化所LIBS課題組研制的分析系統，用來專門監測冶金工業現場熔煉爐里的熔體合金成分[8]。液態金屬LIBS成分在線分析儀安裝在我公司熔鑄廠從E2熔鋁爐到5#鑄井保溫爐的流槽旁邊，如圖1所示。

圖1 現場設備

當熔鋁爐中的鋁水達到760℃后且下一道工序需要鋁水時，熔鋁爐中的鋁水通過流槽流到保溫爐中，此時系統監測到鋁水放出來，啟動自動測量程序，首先探頭下降插入到流槽中的鋁水中，然后激光出光開始測試，采集一組數據之后停止出光，結束測試，最后探頭升起來等待下一次測量。

采集到的光譜數據經處理分析后轉換成所測元素的濃度數據，濃度數據實時顯示在生產辦公室的客戶端軟件界面，如圖2所示。生產辦公室技術人員根據在線測試結果，計算所需添加合金料的重量，最后工人根據計算結果在保溫爐中添加合金料至成分合格。整個測試過程，無需取樣、制樣等一系列繁瑣過程，無需人工參與，自動測量，檢測時間可以控制在極短時間內完成。同時，對熔鋁爐中的熔融鋁水進行取樣，送到光譜分析室進行離線分析，最后與液態金屬LIBS成分在線分析儀所測的結果進行對比。

圖2 客戶端軟件

采用傳統人工取樣離線檢測時，采樣過程以及各流程消耗時間如圖3所示；采用液態金屬成分在線分析儀進行在線檢測時，采樣過程以及各流程消耗時間如圖4所示。在線檢測儀器應用前所用檢測時間為16min～23min，應用后檢測時間約為3min。

圖3 應用前檢測流程及檢測時間

圖4 應用后檢測流程及檢測時間

2 應用效果

通過與光譜分析室離線分析的結果對比，該設備在線檢測的結果與光譜分析室離線分析結果具有較好的一致性。圖5為光譜分析室對所取樣品的離線分析測試結果，圖6為液態金屬LIBS在線成分分析儀的在線測試結果，圖7為離線分析結果和在線分析結果的絕對偏差圖。長期測試結果表明，在測量重復精度上，各個元素測量結果的相對標準偏差(RSD)在5%左右；在測量準確性上，Si、Mg濃度較高的元素，絕對誤差小于±0.06%，Fe、Cu、Mn、Cr、Ni、Zn、Ti等濃度較低的元素，絕對偏差小于±0.02%。

圖5 光譜分析室離線測試結果

圖6 液態金屬LIBS成分在線分析儀在線檢測結果

圖7 離線數據和在線數據的絕對偏差

在我公司熔鑄廠的E2熔鋁爐使用液態金屬LIBS在線成分分析儀后，鋁水成分分析檢測時間縮短了13min～20min，每噸成品鋁棒可節約原材料燒損7kg左右(主要是Mg等易燒損元素)，同時可節約天然氣0.5m3左右以及減少CO2排放量0.375m3左右。燒損金屬平均按1.285萬元/t計算，天然氣每立方米按2.5元計算，熔鑄廠E2爐為63t鋁棒產量，每爐可節約資源費用63×7×12.85=5666.85元，每爐可節約能源費用63×0.5×2.5=78.75元。因此每爐的綜合經濟效益可達5745元，每爐可減少CO2排放量為63×0.375=23.625m3。按照熔鑄廠年產量50萬t計算，每年綜合經濟效益可達4500萬元左右。

4 結束語

經過長時間的現場應用測試表明，液態金屬LIBS在線成分分析儀的優點是，無需進行人工取樣、加工制樣等一系列耗時過程，可直接對熔融鋁水成分進行在線測量，分析速度快，在線分析結果的測量精度能夠滿足企業生產要求。

采用液態金屬LIBS在線成分分析儀實時、在線檢測熔融鋁水中各元素濃度，無需等待取樣后的離線分析結果，提高了生產效率，節約了原材料燒損和能源浪費，在降低企業生產成本和節能減排方面意義重大，尤其對于企業下一步智能制造升級具有重要的意義，因此液態金屬LIBS元素成分在線分析儀值得大力推廣及應用。