内窥镜在基于LIBS的钢液分析装置中的应用

改造者：杨友良 邓 贺

内窥镜在基于LIBS的钢液分析装置中的应用

改造者：杨友良 邓 贺

本文根据近年来国内外学者提出的基于LIBS的钢液分析装置的相关设想，提出了一种设计方案。按照所考察的钢铁冶炼实际环境，检索市场上可购买到的实际物料，按照物料的特性，在考虑成本的因素下，设计一套实验装置，力求用物理方式抵消环境因素对所收集的实验数据的影响。该设计方案增加了分析装置的灵活性和适应性以便其应用于各种不同型号的炼炉。

随着冶金制造、钢铁冶炼的自动控制技术的发展，钢液成分的实时定量分析已经成为生产过程中的一个重要工艺环节。实时的测定钢液成分对于改进生产工艺，提高生产效率，降低生产成本有着非常重要的作用。

目前国内外的一些先进钢铁企业已经开始采用在线的实时检测系统，用其来对冶炼过程进行检测。这些方法包括：1.火花光谱法；2.金属气溶胶颗粒光谱法（例如电感耦合等离子体法ICP）。可以通过气动，超声，化学（同卤素反应），火花等方法制造这种气溶胶颗粒；3.LD转炉高温点的原子发射4.激光诱导击穿光谱法（LIBS）等。

然而，在钢铁行业，很多实际的困难减慢了这些方法的发展速度，影响因素大体如下：1）冶炼环境下的高温粉尘和烟雾；2）冶炼过程中钢液和钢渣会飞溅；3）电气元件普遍不耐热；4）光学元件容易受热变形和被钢液污染；5）冶炼设备的电磁干扰和振动；6）钢包高温和巨大的体积使钢液表面与测量装置间的距离很远；7）测量过程中，容易出现事故；8）定标曲线和校队方法缺乏；9）碳，硫，磷等主要非金属元素的发射光谱为紫外光（180～200 mm），很容易被空气和光纤所吸收。

现阶段国内基于LIBS的钢液成分检测研究所用的平台都是在实验室环境下的理想平台。对于影响激光诱导击穿光谱法（LIBS）的环境因素，大多实验室是用软件算法来剔除。本文旨在研究用硬件剔除不利的环境因素，使钢液分析装置更贴近工业生产。

基于LIBS的钢液成分在线监测装置的整体结构

装置的结构

装置包括：内窥镜、控制内窥镜活动的机械臂、光谱发生收集装置、真空光路分路装置、中控计算机、载物平台、水冷装置、气体增压装置。内窥镜31包括焦距调节透镜组29、声波测距仪5。真空光路分路装置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、平凹镜15、平凸镜14、镀铝反射镜12、二向色镜10、光纤耦合器Ⅱ9。出射光通道包括左凸透镜11、右凸透镜11、光纤耦合器Ⅱ9、光纤耦合器Ⅰ。光谱发生收集装置包括激光器20、光谱仪21、空调装置19。平台结构图如图1 所示。

图中各标号为：1-钢液；2-钢渣层；3-倒锥形窥镜头；4-炼炉；5-超声波测距模块；6-水冷装置；7-光纤；8-气体管道；9-光纤耦合器Ⅱ；10-二向色镜；11-左凸透镜、右凸透镜；12-镀铝反射镜；13-真空光路分路装置；14-平凸镜；15-平凹镜；16-真空泵；17-光纤耦合器Ⅰ；18-平面镜片；19-空调装置；20-激光器；21-光谱仪；22-中控计算机；23-载物平台；24-水泵；25-气泵；26-机械臂；27-平面镜片；28-下平凸镜；29-焦距调节透镜组；30-上平凸镜；31-内窥镜；32-光纤耦合器Ⅲ；33-入射光通道；34-出射光通道。

图1 基于LIBS的钢液成分在线监测装置结构图

各部分细节

光纤采用蓝宝石光纤。内窥镜采用硬管内窥镜，内窥镜整体采用刚玉管，水冷管路6采用铜制材料，刚玉管熔点上限为1800oC，铜管在水冷条件下也不会融化在钢液中。两种材料和钢液成分有很大区别，几乎不会对检测结果产生影响；内窥镜前部如图2所示。

焦距调节透镜组安装在内窥镜的前部，由铜材料做成管壁，由一个小电机带动下平凸镜移动，来达到移动镜片，调节焦距的目的。气体管道中安装超声波测距模块，节省空间，气体流动降低了温度，对测距模块起到保护作用。所有透镜和平面镜片均采用MgF2材料，以增强对紫外光的透射。焦距调剂结构如图3所示。

图2 内窥镜前部结构图

图3 焦距调节结构图

装置的运行

测量分析时，中控电脑产生一定频率的TTL方波信号使光谱仪开始工作，光谱仪以TTL方波信号的上升沿为起点开始计时，按照待测元素的最佳延迟测量时间，发射数目、频率和方波信号相同延时信号给激光器。激光器按照信号发射脉冲激光。激光通过安装在正对激光器的平面透镜进入真空光路分路装置。为了减少气体电离和激光对光学器件造成的损伤，激光进入分路装置后，用扩束透镜组（平凹镜和平凸镜）对激光进行扩束，扩束后的激光方向被镀铝反射镜从水平变成垂直。二向色镜再次改变激光方向使其可以被凸透镜聚焦。聚焦后的激光通过光纤耦合器II，蓝宝石光纤和光纤耦合器III到达内窥镜的焦距调节透镜组中。激光经光纤耦合器III照射到焦距调节透镜组的上平凸镜后变成平行光，再由下平凸镜聚焦在钢液表面形成等离子体；等离子体发射光沿原路返回，依次经过平面镜片、下平凸镜和上平凸镜聚合后，由光纤耦合器III、光纤传至真空光路分路装置内，再依次经过右凸透镜、二向色镜、左凸透镜、光纤耦合器I、光纤传输至光谱仪。经过光谱仪分析处理之后，实时的光谱数据发送至中控计算机。收集重复多次的光谱数据之后，中控计算机再次对数据进行信号增强、待测元素光谱波段筛选、间隔偏最小二乘归一等数据处理，给出各元素的测量数据。在细节上，二向色镜是用来反射激光并使波长在激光波段之外的等离子体光谱通过；为了便于内窥镜直接插入钢液中，用气体增压装置给内窥镜前端吹入保护性气体（氩气、氦气等），填充内窥镜前端的倒喇叭口。而且在氩气、氦气等背景气体环境下，等离子体光谱强度会增强，噪声影响会下降。另外增加内窥镜前部的气压，可防止钢液接触到焦距调节透镜组；水冷装置的作用是防止内窥镜的温度过高而使其内的光学器件受到高温损坏。

结语

本文结合冶炼过程中的实际环境，市场上的物料情况，给出了一种贴近工业应用的设计方案，结合实验室模拟的该模型的构建以及相关参数，力求用物理方式更多的抵消环境因素对所收集的检测数据的影响，使最终要处理的数据更加准确。

由于炼钢技术的不断发展，新式炼炉不断的被应用，各种炼炉炉体结构有很大差异，该硬管工业内窥镜并不能适用于所有炉体。为了让该系统更普遍的适用于各种炼炉，探索软管内窥镜代替硬管内窥镜就变的很有意义。软管内窥镜可以弯曲的进入炉内，对炼炉的炉位要求较少，也更容易到达钢液的表面。现阶段软管内窥镜的难点在于尚未寻求到一种合适的耐高温材料作为内窥镜的外管体。

另外方案采用的都是公知产品，每种产品自带的软件协同性差，在编写协同程序上面需要深入研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.019