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(guò)程自動(dòng)化是冶金工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，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(cè)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(cè)量和優(yōu)化控制。

目前，冶煉過(guò)程中冶金成分得測(cè)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(cè)方法。由于需要取樣和制樣，檢測(cè)結(jié)果具有一定的滯后性，造成原料混料配比時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)反饋成分信息，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)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(guò)程也存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，優(yōu)化冶煉過(guò)程中冶金成分的在線檢測(cè)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(cè)技術(shù)，由于具有可實(shí)時(shí)原位在線檢測(cè)、可多元素同時(shí)快速檢測(cè)、適應(yīng)不同的檢測(cè)環(huán)境能力強(qiáng)以及可遠(yuǎn)程非接觸檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為元素分析檢測(cè)領(lǐng)域的“超級(jí)巨星”。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(guó)際元素分析檢測(cè)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(cè)的技術(shù)。本文利用GS-LIBS2200 激光成分分析儀，通過(guò)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲得了LIBS 設(shè)備在線檢測(cè)和XRF取樣檢測(cè)的對(duì)比結(jié)果，證實(shí)了GS-LIBS2200 檢測(cè)設(shè)備用于高溫熔體成分在線檢測(cè)的長(zhǎng)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(chǎng)高溫熔體、塊狀固體以及粉末顆粒等物料成分的在線檢測(cè)，檢測(cè)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(chǎng)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(cè)樣品

本文檢測(cè)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(cè)的樣品均為流動(dòng)狀態(tài)的高溫熔體。

3.檢測(cè)方法

為了減小現(xiàn)場(chǎng)煙氣粉塵和熔體液面波動(dòng)等因素影響，使用GS-LIBS2200 單次測(cè)量過(guò)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(cè)過(guò)程耗時(shí)約3 min。然后對(duì)檢測(cè)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(guò)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(cè)過(guò)程平均耗時(shí)30 min以上，最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)小時(shí)。

二、結(jié)果與討論

1.熔體冰銅檢測(cè)

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(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了高溫熔體中Cu 元素等關(guān)鍵成分的在線檢測(cè)。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(cè)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(cè)和XRF 取樣檢測(cè)結(jié)果，二者具有很好的一致性，檢測(cè)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(cè)誤差，359 爐次中的 324 爐次的GS-LIBS2200 在線檢測(cè)結(jié)果和XRF 取樣檢測(cè)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(cè)誤差，將二者偏差擴(kuò)大至1.5%，則檢測(cè)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(cè)

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(chǎng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了Ni、Cu、Fe、Co 等關(guān)鍵元素的在線檢測(cè)。同樣，為了降低冶煉現(xiàn)場(chǎng)的高溫和熔體飛濺干擾，設(shè)備的檢測(cè)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(cè)和XRF 取樣檢測(cè)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(cè)誤差，96 爐次中86 爐次的Ni 元素GS-LIBS2200 在線檢測(cè)結(jié)果和XRF 取樣檢測(cè)結(jié)果偏差小于1%，占總爐次的89.6%，說(shuō)明了GS-LIBS2200 激光成分分析儀在線檢測(cè)具有較好的穩(wěn)定性。

3.在線檢測(cè)可靠性

通過(guò)對(duì)低鎳锍中微量元素Pb 元素檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，分析了GS-LIBS2200 激光成分分析儀的在線檢測(cè)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(cè)結(jié)果對(duì)比

圖3 低鎳锍Ni 元素檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖4 低鎳锍Pb 元素檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

以檢測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果也表現(xiàn)出與XRF 取樣檢測(cè)相似趨勢(shì)，但一直保持在0.08wt.%左右。對(duì)當(dāng)天現(xiàn)場(chǎng)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(cè)結(jié)果與熔體的實(shí)際成分更加吻合，且在線連續(xù)檢測(cè)可以有效降低由于取樣偶然性等因素所引起的檢測(cè)誤差。檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5 所示。

圖5 低鎳锍Pb 元素部分檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

以上結(jié)果表明，LIBS 技術(shù)的在線檢測(cè)結(jié)果和XRF 技術(shù)的取樣檢測(cè)結(jié)果及趨勢(shì)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(zhǎng)期測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定可靠性及對(duì)冶煉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。

三、結(jié)語(yǔ)

基于LIBS 技術(shù)的GS-LIBS2200 激光成分分析儀用于冶煉現(xiàn)場(chǎng)冶金成分的長(zhǎng)期在線檢測(cè)，避免了人工取樣等因素造成的檢測(cè)誤差，突破了傳統(tǒng)離線檢測(cè)方法的滯后性限制，不僅有助于縮短檢測(cè)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(guò)程冶金熔體成分的在線檢測(cè)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(guò)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(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：J2019G13）的研究成果。 ]