劉 學(xué)，辛 勇，李洪林，侯北晨，馬 多

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

鋁合金產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過程中，鑄錠質(zhì)量像DNA決定最終鋁材制品的質(zhì)量，因此，鋁合金的熔煉鑄造過程在鋁加工整個(gè)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(yàn)合金成分。取樣過程中，不僅需要開關(guān)爐門造成鋁液熱量損失，而且整個(gè)采樣過程屬于離線檢測，不能實(shí)時(shí)反映鋁液的合金成分，致使生產(chǎn)效率低，同時(shí)造成了鋁液燒損，嚴(yán)重消耗了企業(yè)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(shí)間等方法來實(shí)現(xiàn)，使用快速準(zhǔn)確的在線檢測儀器可以有效縮短檢測等待時(shí)間，從而減少金屬原料和天然氣的損耗。

1 工藝技術(shù)路線

在線實(shí)時(shí)成分檢測技術(shù)，最早出現(xiàn)在煉鐵行業(yè)中。蒂森克虜伯Duisburg廠2008年、柳鋼燒結(jié)廠2014年、寶鋼股份煉鐵部燒結(jié)分廠2016年、鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠2017年均安裝在線實(shí)時(shí)成分檢測設(shè)備，另外在線實(shí)時(shí)成分檢測在鋼鐵行業(yè)前端的礦山行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于來料分級(jí)、料堆質(zhì)量管理、原料配料、細(xì)粒、中粒、大塊產(chǎn)品監(jiān)測等[1-6]。此技術(shù)目前也應(yīng)用于電力領(lǐng)域[7]，但對于在鋁合金熔煉過程中成分檢測的應(yīng)用研究以及報(bào)道較少。

我公司使用的液態(tài)金屬成分在線分析儀為中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所LIBS課題組研制的分析系統(tǒng)，用來專門監(jiān)測冶金工業(yè)現(xiàn)場熔煉爐里的熔體合金成分[8]。液態(tài)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(xiàn)場設(shè)備

當(dāng)熔鋁爐中的鋁水達(dá)到760℃后且下一道工序需要鋁水時(shí)，熔鋁爐中的鋁水通過流槽流到保溫爐中，此時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測到鋁水放出來，啟動(dòng)自動(dòng)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(shù)據(jù)之后停止出光，結(jié)束測試，最后探頭升起來等待下一次測量。

采集到的光譜數(shù)據(jù)經(jīng)處理分析后轉(zhuǎn)換成所測元素的濃度數(shù)據(jù)，濃度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在生產(chǎn)辦公室的客戶端軟件界面，如圖2所示。生產(chǎn)辦公室技術(shù)人員根據(jù)在線測試結(jié)果，計(jì)算所需添加合金料的重量，最后工人根據(jù)計(jì)算結(jié)果在保溫爐中添加合金料至成分合格。整個(gè)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(dòng)測量，檢測時(shí)間可以控制在極短時(shí)間內(nèi)完成。同時(shí)，對熔鋁爐中的熔融鋁水進(jìn)行取樣，送到光譜分析室進(jìn)行離線分析，最后與液態(tài)金屬LIBS成分在線分析儀所測的結(jié)果進(jìn)行對比。

圖2 客戶端軟件

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

圖3 應(yīng)用前檢測流程及檢測時(shí)間

圖4 應(yīng)用后檢測流程及檢測時(shí)間

2 應(yīng)用效果

通過與光譜分析室離線分析的結(jié)果對比，該設(shè)備在線檢測的結(jié)果與光譜分析室離線分析結(jié)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(jié)果，圖6為液態(tài)金屬LIBS在線成分分析儀的在線測試結(jié)果，圖7為離線分析結(jié)果和在線分析結(jié)果的絕對偏差圖。長期測試結(jié)果表明，在測量重復(fù)精度上，各個(gè)元素測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在5%左右；在測量準(zhǔn)確性上，Si、Mg濃度較高的元素，絕對誤差小于±0.06%，F(xiàn)e、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(jié)果

圖6 液態(tài)金屬LIBS成分在線分析儀在線檢測結(jié)果

圖7 離線數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)的絕對偏差

在我公司熔鑄廠的E2熔鋁爐使用液態(tài)金屬LIBS在線成分分析儀后，鋁水成分分析檢測時(shí)間縮短了13min～20min，每噸成品鋁棒可節(jié)約原材料燒損7kg左右(主要是Mg等易燒損元素)，同時(shí)可節(jié)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(jì)算，天然氣每立方米按2.5元計(jì)算，熔鑄廠E2爐為63t鋁棒產(chǎn)量，每爐可節(jié)約資源費(fèi)用63×7×12.85=5666.85元，每爐可節(jié)約能源費(fèi)用63×0.5×2.5=78.75元。因此每爐的綜合經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)5745元，每爐可減少CO2排放量為63×0.375=23.625m3。按照熔鑄廠年產(chǎn)量50萬t計(jì)算，每年綜合經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)4500萬元左右。

4 結(jié)束語

經(jīng)過長時(shí)間的現(xiàn)場應(yīng)用測試表明，液態(tài)金屬LIBS在線成分分析儀的優(yōu)點(diǎn)是，無需進(jìn)行人工取樣、加工制樣等一系列耗時(shí)過程，可直接對熔融鋁水成分進(jìn)行在線測量，分析速度快，在線分析結(jié)果的測量精度能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)要求。

采用液態(tài)金屬LIBS在線成分分析儀實(shí)時(shí)、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(jié)果，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了原材料燒損和能源浪費(fèi)，在降低企業(yè)生產(chǎn)成本和節(jié)能減排方面意義重大，尤其對于企業(yè)下一步智能制造升級(jí)具有重要的意義，因此液態(tài)金屬LIBS元素成分在線分析儀值得大力推廣及應(yīng)用。