液态钢成分的LIBS实时定量分析技术研究

Real-time, quantitative analysis method of multi-elements in liquid steel is studied, which is based on laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). In brief, the main reseachs in this project are as follow:.(1) The LIBS set-up for liquid steel is established. The interaction mechanism between laser and liquid steel is studied for the purpose of obtaining the formation mechanism of the plasma spectrum from generation to annihilation and its influencing factors, the affect principle and correction methods of matrix effect and self-absorption effect. All of these will provide a theoretical basis for the LIBS liquid steel composition on-line detection..(2) Some practical and effective liquid steel LIBS spectral data preprocessing methods and models are established, which are used to exclude abnormal spectral data, filter out the noise, implement baseline correction, automatic peak search and decomposition of overlapping peaks..(3) The influence of excitation and ionization property of the elements on the plasma is researched to optimize experimental parameters and calibration method of multi-elements in liquid steel is studied too, Multi-elements identification and quantitative analysis models and methods are constructed under those basis..(4) The technique of LIBS in this project will carry out for analysis of the composition of liquid steel in metallurgical process..The research contents will lay a solid theoretical and technical basis for real-time, quantitative analysis of multi-elements in liquid steel by LIBS.

本课题结合激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，对液态钢的成分进行实时定量分析研究，主要工作如下：(1)构建基于LIBS技术的液态钢成分实时分析平台，对激光与液态钢相互作用的机制进行研究，得出液态钢等离子体从产生到湮灭过程各阶段中谱线的形成机制及影响因素，基体效应和自吸收效应的影响机制和校正方法，为LIBS液态钢成分在线检测提供理论基础。(2)构建实用有效的液态钢LIBS光谱数据预处理方法与模型，剔除异常光谱数据，滤除噪声，进行基线校正、自动寻峰和重叠峰分解。(3)分析元素激发、电离特性等对等离子体的影响，优化实验参数，对液态钢中多种元素进行定标研究，在此基础上，构建多元素同时辨识与定量分析的模型与方法。(4)冶金过程中液态钢成分的LIBS在线分析的应用研究。.本课题的研究内容为液态钢成分的LIBS实时在线检测方向奠定坚实的理论和技术基础。

复杂体系衡量元素分析、冶金材料原位统计分布分析以及在线实时临界控制分析被认为是21世纪冶金材料分析面临的三大难题。这其中就包括了熔态金属在线分析。这里的熔态金属即液态金属，比如高炉出铁口、鱼雷罐、铁水包等中的铁液，转炉、电弧炉、精炼炉中的钢液等。到目前为止，除了少数几种元素能实现在线分析以外，人们分析冶金材料的主要方法还是取样凝结为固体后，再对固体的成分进行检测，以此来判定熔炼过程是否符合要求。这种取样分析方法存在两方面不足: .(1)、熔体熔炼过程中，有些元素易于烧损，有些元素易于增加，而对于取样分析的方法，从取样到分析出结果，一般需要4min，等分析完成，时间已滞后，分析出的成分已不能完全代表熔体当前的成分，这样不利于控制熔炼过程；.(2)、取样分析方法由于较大的时间滞后因而增加了熔炼成本，不利于节能减排，对于短流程熔炼尤其如此。比如，设一炉钢的精炼时间是25min，那么4min的时间滞后会带来约1/6的熔炼成本和排放的增加。.本课题结合激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，对液态钢的成分进行实时定量分析研究，主要工作如下：.(1)、构建基于LIBS技术的液态钢成分实时分析平台，对激光与液态钢相互作用的机制进行研究，得出液态钢等离子体从产生到湮灭过程各阶段中谱线的形成机制及影响因素，基体效应和自吸收效应的影响机制和校正方法，为LIBS液态钢成分在线检测提供理论基础。.(2)、构建实用有效的液态钢LIBS光谱数据预处理方法与模型，剔除异常光谱数据，滤除噪声，进行基线校正、自动寻峰和重叠峰分解。.(3)、分析元素激发、电离特性等对等离子体的影响，优化实验参数，对液态钢中多种元素进行定标研究，在此基础上，构建多元素同时辨识与定量分析的模型与方法。 .(4)、冶金过程中液态钢成分的LIBS在线分析的应用研究。.LIBS在线分析技术可以在线、非接触式测量钢水中多种元素，具有重要的理论和实际意义。随着钢铁生产日益大型化、高速化、连续化和测控高度一体化，要求熔体中的成分变化得到实时、快速响应，从而实现冶炼过程中的动态控制和成分调整，并且能够更准确的判断冶炼的终点，以提高冶炼钢种的质量和生产效率。