基于LIBS技術的鋼水成分檢測優化研究

引言

在煉鋼工藝中，精確控制鋼水中的化學成分是非常重要的，這對于保證鋼鐵質量以及應用性能具有重要意義。然而，我國國內一些企業鋼水成分檢測流程仍較為復雜，信息化水平不高，使得制樣時間長，人力、物力消耗量大，不能準確分析鋼水成分并進行及時調整，從而造成不必要的經濟損失。因此，研究LIBS技術下鋼水成分檢測優化方法非常有必要。

1 LIBS技術應用原理

物質的基本粒子原子、離子在受到能量沖擊后稱為激發狀態，激發狀態發射出的能量有三種方式：熒光輻射、光吸收、光輻射。所以被激發的原子光譜的組成有：原子發射光譜、原子吸收光譜、原子熒光光譜三部分。LIBS就是典型的原子光譜分析法之一。LIBS測量原理圖如圖1所示。激光器發射出激光，經由聚焦透鏡聚焦到樣品表面，聚焦點受能量沖擊后被激發產生等離子體。等離子體發射出的光譜被光纖收集傳送到光譜儀，光譜儀首先進行分光，然后檢測光譜，將光譜信號轉換成數字信號，并且傳給電腦進行數據分析。各個元素有其獨特的譜線，根據譜線波長確定元素種類，根據光譜強度確定元素濃度。

2 LIBS技術在鋼水成分檢測中的優勢

LIBS技術應用在鋼鐵產業可以及時控制、調整鋼水的成分比例，從而可以很好地提升鋼鐵產品的質量。LIBS技術在煉鋼過程中有著非常明顯的優點：第一，發射的每個脈沖都能得到對應的光譜，具有快速性、時效性；第二，檢測樣品損耗小；第三，激光器發出的激光可以通過聚光系統將光束聚焦在遠處，所以有可遠距離測量、非接觸測量的優勢；第四，樣品不需要經過處理，并且可以同時檢測樣品中的多種元素。

3 鋼水成分定性檢測優化方法分析

當鋼水表面層遭受激光能量的沖擊時，就會產生等離子體，從而發射出不同波長的譜線，這時光譜儀進行分光、收集光譜，并將這些圖像傳輸到計算機中，隨后根據譜線波長來確定對應的元素，進而確定鋼水成分中所含有的不同金屬元素。這一過程就是鋼水定性檢測過程。元素定性分析有下面幾種：

3.1 標譜對比法

使用標譜對比法的依據是檢測的物質中必須有指定成分，將含有指定元素成分的試樣和被檢測試樣物質，設定在同一條件進行激光誘導實驗，分析兩者得到的元素譜線，看是否有同一種譜線，以此方法來判斷屬于某種元素是否存在。

3.2 鐵譜比較法

一般情況下，業內人士會選用鐵譜作為比對標準譜，這是由于鐵譜具有以下幾點優勢：第一，鐵譜譜線較多；第二，鐵譜譜線之間的間隔較為均勻，這在一定程度上方便了對照；第三，標定準確性高。鐵譜中的每一條譜線波長都已經被準確測量過。在譜線檢測過程中，把待檢測物質樣品和純鐵放在同一實驗條件環境下，進行物質元素激發，把得到的元素譜線進行放大對比，將實驗得到的鐵元素譜線圖與元素標準光譜圖進行重疊比較，然后看其它元素的譜線是否與元素標準光譜圖中的譜線趨勢有重疊，如果有重疊的地方，則可能有該種元素。實驗中得到的譜線都可用此法進行靈活的對比，來驗證存在的元素種類。鐵元素譜線比較法可以校驗多種不同的元素，方法靈活便捷，應用比較普遍。

4 鋼水成分定量檢測優化方法分析

現階段，基于LIBS技術的定量檢測方法包括：外標法、內標法以及自由定標法。這些方法都有其自身的優勢以及缺點，下面對這三種方法進行介紹。第一，外標法。外標法是LIBS技術中進行鋼水定量檢測的一種方法，但是其不會用到糾正因子，原理模型較為簡單；第二，內標法。外標譜線進行對比測量元素的測量方法實驗條件要求嚴格，很難保證進行實驗時測量條件都相同，因此難免會造成實驗結果有一定的偏差，而內標法正好克服了這一難點，內標譜線法比外標譜線法更加精確，適用性大；第三，自由標定法。自由定標法在實驗中，不用對待測樣品中的元素模擬出定標曲線，依據譜線的相對強度比，直接計算出樣品物質中元素的百分含量。此方法有三個條件需要滿足：受外界能量沖擊產生的元素等離子體能全面的反應樣品物質的成分組成；等離子體在高溫環境下處在熱平衡狀態；忽略等離子體的元素譜線自身的自吸收效應。通過相關研究發現，自由定標譜線法比內標、外標譜線法更加簡便直接，成本相對較低，而且可以進行全元素測量，其在鋼水中Mn元素的定量檢測中應用較為廣泛。

總結語

總而言之，通過對LIBS檢測技術的分析可以得知，LIBS光譜檢測技術具有檢測效率高、時效性強、樣品損耗小、測量距離遠等多重優勢。所以，該技術在煉鋼領域具有巨大的應用潛力，其在提高鋼鐵產品質量以及效率方面也具有重要意義。為此，相關技術人員應更加深入地研究LIBS技術下鋼水成分檢驗優化方法，進而推動我國鋼鐵行業蓬勃發展。