钢铁成分的激光诱导击穿光谱高精度检测方法与装备

发布时间：2020-10-20 15:18

　　 目前大量的工业废弃钢材给环保带来了巨大压力,提高钢铁废弃物的回收利用率,实现对钢铁的实时在线检测是目前面临的主要难题之一。其中钢铁成分的定性、定量分析成为金属分类、回收、再利用中不可或缺的环节。常用的离线方法分类效率低、操作复杂,无法满足现代高效率、高精度的测量要求。因此研究钢铁成分的高精度检测方法,对于实现钢铁分类识别、定量分析、回收再利用具有重要的意义。激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy,简称LIBS)技术是将激光聚焦到样品表面,产生等离子体,用光谱仪和探测器对等离子体辐射光谱信号进行采集分析,进而推导出样品中元素种类和含量。其主要优点有:无需制样、微损、快速、远程检测和多元素同时分析等。在工业生产过程和质量监督的实时在线检测方面极具潜力。本文以LIBS技术作为钢铁成分分析方法,搭建了基于激光诱导击穿光谱技术的在线检测平台,对检测设备参数进行了优化,结合数据分析算法实现了钢铁的高精度定性、定量分析。在此基础上对钢铁回收熔融重塑过程进行了研究,研发了在线温度检测设备,对冶炼过程中随温度变化的检测精确度的变化规律进行了分析。实现了对钢铁元素的高精度分类识别、定量分析、回收熔融再利用。具体研究内容及成果如下:1、研究了钢铁分类精度提高方法。针对目前在钢铁分类中精确度低、基体效应的影响大等问题,提出了基于LIBS技术的高精度钢铁分类识别方法。文中选择了六大类40种不同的钢铁进行分类研究,并用偏最小二乘法和支持向量机对分类精度进行了研究,鉴于主成份含量相似的元素的分类误判比较高的问题,提出了用最小二乘支持向量机结合LIBS技术进行改进,成功实现了钢铁的高精度分类。2、研究了定量分析精度提高方法。采用传统的内定标方法对谱线进行分析,针对内定标方法在不同类型钢铁定量分析中的局限性,提出用偏最小二乘法进行改进,消除了内标法中因基体效应等因素带来的非线性干扰,将Cr元素的相关系数R~2从84.62%提升到了97.13%,一定程度上提高了定量分析精度。然后结合LSSVM算法,提出了基于PLS-LSSVM的定量分析改进方法,进一步提升了定量分析精度。以Cr元素为例,R~2从84.62%提升到了99.98%,RMSEP从1.7047%下降到0.0747%,ARE从10.2370%下降至1.0179%。3、研究了熔融钢铁的高精度检测方法。针对原温度检测系统中因分光片导致的成像点位置偏差和成像不均匀的问题,提出了用旋转光路代替分光光路的设计方法,保证了光辐射信号的采集均匀性。并用红外信号传输方法和无线供电模式代替传统的实体连接电路,解决了因旋转电机引起的绕线问题,实现了0-1800℃的温度高精度检测。实时监测了LIBS在线检测熔融过程中不同温度下的谱线信息,分别对原子谱线强度和离子谱线强度随温度变化趋势进行了分析,发现二者的谱线强度都随温度升高呈指数型增长。在此基础上对谱线随温度增强的机理进行了研究,发现样本温度从20℃增加到1432℃时,对应的等离子体温度只增加了482℃,因此将谱线增强归因于烧蚀量的增加。最后对不同温度下定量分析结果进行研究,提出了通过选择合适温度点提高测量精度的方法。本文实现了钢铁成分的高精度实时检测。证明了激光诱导击穿光谱技术在金属分类、定标方面的优势,对于进一步推动激光诱导技术在废弃物分类、回收、再利用方面的应用具有极其重要的价值。
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG115.33
【部分图文】：

图 1-2 离线检测步骤于离线分析的过程复杂，耗费时间较长，不能从源头上进行元素含量找到一种在线检测方法去更好的控制冶炼过程，以求生产出更符合要钢铁成分在线检测方法述五种检测方法都需要进行样本预处理，耗时较长，无法实现实时在钢铁冶炼过程中的检测需要停炉测试，增加了冶炼繁琐程度和杂质掺测试结果与实际产品可能会有较大差异。因此需要研究一种可以在冶含量进行实时检测的监测方法。因此新型在线检测方法被应用到冶金，目前常见的几种在线检测方法主要有[23]：熔体探头法方法使用到的主要设备是热电偶。熔体探头法主要是将带有热电偶的中取样，当样品杯取完样品与钢液表面分离时完成测量。然后分析样晶温度曲线，加上相应的元素校准系数后，确定样品中对应元素的含

图 1-3 激光诱导光谱分析技术系统原理图导形成等离子体时激光脉冲会持续一段时间，虽然持续时间特由于激光具有瞬时加热烧蚀能力，会使等离子体的局部温度瞬时体会达到一个局部热平衡状态，内部的粒子之间相互碰撞并交行平衡，使等离子体内部温度平衡到 103K 左右。此时等离子衡，开始在样品表面均匀的向外部膨胀和扩散，在此过程中，向外膨胀的过程中等离子体会产生辐射，且此时辐射类型为黑，光谱呈现为紫外光、可见光和近红外光三种，随着冷却时间，呈现的光谱逐渐向红外段偏移。且随着时间的推移，光谱间内快速减弱。到 10μs 以后，等离子体温度降低较大，此时离子的复合辐射，此时的谱线主要呈现为紫外区到可见光波段离子体内部压力较大，会在短时间内向外快速膨胀，并在等离压区间，该高压区间会对周围的空气进行挤压产生冲击波[27-29

图 1-4 等离子体扩散分布图体扩散图中可以看出，等离子体内部在靠近样本表面的区，该区域的粒子基本都呈离子态，温度可以达到 105K，度较高发生激烈碰撞，产生了连续的韧致辐射。等离子体所示。连续韧致辐射辐射谱线冲击波样品与等离子体交界热等离子体冷等离子体激光作用方向
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 潘从元;杜学维;曾强;于云偲;王声波;王秋平;;A Study of the Laser-Induced Breakdown Spectroscopy of Carbon in the Ultraviolet Wavelength Range Under Vacuum Conditions[J];Plasma Science and Technology;2015年08期

2 韩振宇;潘从元;安宁;杜学维;于云偲;杜亮亮;王声波;王秋平;;自动聚焦激光诱导击穿光谱远程测量系统[J];光谱学与光谱分析;2015年02期

3 潘从元;杜学维;安宁;韩振宇;王声波;尉伟;王秋平;;真空环境熔融金属成分检测的激光诱导击穿光谱系统[J];光谱学与光谱分析;2013年12期

4 蔡九菊;叶竹;孙文强;;1995~2010年中国钢铁工业能源消耗影响因素分析[J];东北大学学报(自然科学版);2013年10期

5 章连香;符斌;;X-射线荧光光谱分析技术的发展[J];中国无机分析化学;2013年03期

6 张春霞;上官方钦;郦秀萍;Lynn Price;Nathaniel Aden;Ali Hasanbeigi;;中美钢铁工业能效对标研究[J];钢铁;2013年01期

7 张旭;姚明印;刘木华;;脐橙果皮镉铅含量激光诱导无损检测试验[J];农业工程学报;2013年02期

8 杜闯;高勋;邵妍;宋晓伟;赵振明;郝作强;林景全;;土壤中重金属元素的双脉冲激光诱导击穿光谱研究[J];物理学报;2013年04期

9 王岭;江飞涛;;中国钢铁工业节能减排效果分析与前景[J];产经评论;2012年05期

10 涂彩;袁心强;;定量分析宝石材料化学成分的激光诱导离解光谱方法研究[J];宝石和宝石学杂志;2012年02期

相关博士学位论文 前2条

1 郝中骐;激光探针高精度分析方法及其应用研究[D];华中科技大学;2016年

2 杨植岗;脉冲熔融—飞行时间质谱分析系统的集成与应用研究[D];钢铁研究总院;2012年

相关硕士学位论文 前3条

1 郑剑杰;基于自由定标法的激光诱导击穿光谱定量化分析技术研究[D];北京交通大学;2010年

2 吴江来;水下金属元素的激光诱导击穿光谱特性研究[D];中国海洋大学;2008年

3 许凤华;偏最小二乘回归分析中若干问题的研究[D];山东科技大学;2006年

本文编号：2848841