目前大量的工業(yè)廢棄鋼材給環(huán)保帶來了巨大壓力,提高鋼鐵廢棄物的回收利用率,實(shí)現(xiàn)對鋼鐵的實(shí)時在線檢測是目前面臨的主要難題之一。其中鋼鐵成分的定性、定量分析成為金屬分類、回收、再利用中不可或缺的環(huán)節(jié)。常用的離線方法分類效率低、操作復(fù)雜,無法滿足現(xiàn)代高效率、高精度的測量要求。因此研究鋼鐵成分的高精度檢測方法,對于實(shí)現(xiàn)鋼鐵分類識別、定量分析、回收再利用具有重要的意義。激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser induced breakdown spectroscopy,簡稱LIBS)技術(shù)是將激光聚焦到樣品表面,產(chǎn)生等離子體,用光譜儀和探測器對等離子體輻射光譜信號進(jìn)行采集分析,進(jìn)而推導(dǎo)出樣品中元素種類和含量。其主要優(yōu)點(diǎn)有:無需制樣、微損、快速、遠(yuǎn)程檢測和多元素同時分析等。在工業(yè)生產(chǎn)過程和質(zhì)量監(jiān)督的實(shí)時在線檢測方面極具潛力。本文以LIBS技術(shù)作為鋼鐵成分分析方法,搭建了基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的在線檢測平臺,對檢測設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)合數(shù)據(jù)分析算法實(shí)現(xiàn)了鋼鐵的高精度定性、定量分析。在此基礎(chǔ)上對鋼鐵回收熔融重塑過程進(jìn)行了研究,研發(fā)了在線溫度檢測設(shè)備,對冶煉過程中隨溫度變化的檢測精確度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。實(shí)現(xiàn)了對鋼鐵元素的高精度分類識別、定量分析、回收熔融再利用。具體研究內(nèi)容及成果如下:1、研究了鋼鐵分類精度提高方法。針對目前在鋼鐵分類中精確度低、基體效應(yīng)的影響大等問題,提出了基于LIBS技術(shù)的高精度鋼鐵分類識別方法。文中選擇了六大類40種不同的鋼鐵進(jìn)行分類研究,并用偏最小二乘法和支持向量機(jī)對分類精度進(jìn)行了研究,鑒于主成份含量相似的元素的分類誤判比較高的問題,提出了用最小二乘支持向量機(jī)結(jié)合LIBS技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),成功實(shí)現(xiàn)了鋼鐵的高精度分類。2、研究了定量分析精度提高方法。采用傳統(tǒng)的內(nèi)定標(biāo)方法對譜線進(jìn)行分析,針對內(nèi)定標(biāo)方法在不同類型鋼鐵定量分析中的局限性,提出用偏最小二乘法進(jìn)行改進(jìn),消除了內(nèi)標(biāo)法中因基體效應(yīng)等因素帶來的非線性干擾,將Cr元素的相關(guān)系數(shù)R~2從84.62%提升到了97.13%,一定程度上提高了定量分析精度。然后結(jié)合LSSVM算法,提出了基于PLS-LSSVM的定量分析改進(jìn)方法,進(jìn)一步提升了定量分析精度。以Cr元素為例,R~2從84.62%提升到了99.98%,RMSEP從1.7047%下降到0.0747%,ARE從10.2370%下降至1.0179%。3、研究了熔融鋼鐵的高精度檢測方法。針對原溫度檢測系統(tǒng)中因分光片導(dǎo)致的成像點(diǎn)位置偏差和成像不均勻的問題,提出了用旋轉(zhuǎn)光路代替分光光路的設(shè)計(jì)方法,保證了光輻射信號的采集均勻性。并用紅外信號傳輸方法和無線供電模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)體連接電路,解決了因旋轉(zhuǎn)電機(jī)引起的繞線問題,實(shí)現(xiàn)了0-1800℃的溫度高精度檢測。實(shí)時監(jiān)測了LIBS在線檢測熔融過程中不同溫度下的譜線信息,分別對原子譜線強(qiáng)度和離子譜線強(qiáng)度隨溫度變化趨勢進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)二者的譜線強(qiáng)度都隨溫度升高呈指數(shù)型增長。在此基礎(chǔ)上對譜線隨溫度增強(qiáng)的機(jī)理進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)樣本溫度從20℃增加到1432℃時,對應(yīng)的等離子體溫度只增加了482℃,因此將譜線增強(qiáng)歸因于燒蝕量的增加。最后對不同溫度下定量分析結(jié)果進(jìn)行研究,提出了通過選擇合適溫度點(diǎn)提高測量精度的方法。本文實(shí)現(xiàn)了鋼鐵成分的高精度實(shí)時檢測。證明了激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在金屬分類、定標(biāo)方面的優(yōu)勢,對于進(jìn)一步推動激光誘導(dǎo)技術(shù)在廢棄物分類、回收、再利用方面的應(yīng)用具有極其重要的價(jià)值。
【學(xué)位單位】：長春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG115.33
【部分圖文】：

圖 1-2 離線檢測步驟于離線分析的過程復(fù)雜，耗費(fèi)時間較長，不能從源頭上進(jìn)行元素含量找到一種在線檢測方法去更好的控制冶煉過程，以求生產(chǎn)出更符合要鋼鐵成分在線檢測方法述五種檢測方法都需要進(jìn)行樣本預(yù)處理，耗時較長，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時在鋼鐵冶煉過程中的檢測需要停爐測試，增加了冶煉繁瑣程度和雜質(zhì)摻測試結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品可能會有較大差異。因此需要研究一種可以在冶含量進(jìn)行實(shí)時檢測的監(jiān)測方法。因此新型在線檢測方法被應(yīng)用到冶金，目前常見的幾種在線檢測方法主要有[23]：熔體探頭法方法使用到的主要設(shè)備是熱電偶。熔體探頭法主要是將帶有熱電偶的中取樣，當(dāng)樣品杯取完樣品與鋼液表面分離時完成測量。然后分析樣晶溫度曲線，加上相應(yīng)的元素校準(zhǔn)系數(shù)后，確定樣品中對應(yīng)元素的含

圖 1-3 激光誘導(dǎo)光譜分析技術(shù)系統(tǒng)原理圖導(dǎo)形成等離子體時激光脈沖會持續(xù)一段時間，雖然持續(xù)時間特由于激光具有瞬時加熱燒蝕能力，會使等離子體的局部溫度瞬時體會達(dá)到一個局部熱平衡狀態(tài)，內(nèi)部的粒子之間相互碰撞并交行平衡，使等離子體內(nèi)部溫度平衡到 103K 左右。此時等離子衡，開始在樣品表面均勻的向外部膨脹和擴(kuò)散，在此過程中，向外膨脹的過程中等離子體會產(chǎn)生輻射，且此時輻射類型為黑，光譜呈現(xiàn)為紫外光、可見光和近紅外光三種，隨著冷卻時間，呈現(xiàn)的光譜逐漸向紅外段偏移。且隨著時間的推移，光譜間內(nèi)快速減弱。到 10μs 以后，等離子體溫度降低較大，此時離子的復(fù)合輻射，此時的譜線主要呈現(xiàn)為紫外區(qū)到可見光波段離子體內(nèi)部壓力較大，會在短時間內(nèi)向外快速膨脹，并在等離壓區(qū)間，該高壓區(qū)間會對周圍的空氣進(jìn)行擠壓產(chǎn)生沖擊波[27-29

圖 1-4 等離子體擴(kuò)散分布圖體擴(kuò)散圖中可以看出，等離子體內(nèi)部在靠近樣本表面的區(qū)，該區(qū)域的粒子基本都呈離子態(tài)，溫度可以達(dá)到 105K，度較高發(fā)生激烈碰撞，產(chǎn)生了連續(xù)的韌致輻射。等離子體所示。連續(xù)韌致輻射輻射譜線沖擊波樣品與等離子體交界熱等離子體冷等離子體激光作用方向
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2848841