激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)在低碳鋼鐵冶金行業(yè)的應(yīng)用

牛廣輝 張業(yè)建 林慶宇

(1.寶武重工有限公司 研發(fā)中心,上海 201901;2.四川大學(xué) 分析儀器研究中心,機(jī)械工程學(xué)院,成都 610065)

全球氣候變化已經(jīng)給全人類的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)重的威脅和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),降低溫室氣體的排放已成為全世界的共識(shí)[1-3]。越來越多的國(guó)家正在將減少溫室氣體排放作為國(guó)家戰(zhàn)略,開展相關(guān)研究布局。我國(guó)在七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上莊重宣布:“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。國(guó)際與國(guó)內(nèi)的去碳化政策將對(duì)鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。鋼鐵行業(yè)的碳達(dá)峰與碳中和是一項(xiàng)復(fù)雜而巨大工程,如何實(shí)現(xiàn)從礦石到冶金產(chǎn)品的低碳轉(zhuǎn)換,是一個(gè)亟待解決的問題,也是需要多種技術(shù)協(xié)同的過程[4-6]。除了新型冶煉技術(shù)與工藝的提出,對(duì)鋼鐵冶煉過程實(shí)現(xiàn)全流程的監(jiān)測(cè)也將有助于鋼鐵產(chǎn)業(yè)的低碳化生產(chǎn),如對(duì)鐵礦石、冶煉過程及產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)分析可為冶煉過程與工藝提出動(dòng)態(tài)化調(diào)整與優(yōu)化策略提供重要參考[7-8]。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser induced breakdown spectroscopy,簡(jiǎn)稱LIBS)是光譜分析領(lǐng)域極具應(yīng)用前景的元素分析技術(shù)[9-10]。該技術(shù)基于激光等離子體發(fā)射光譜,將高能脈沖激光直接聚焦在樣品表面,光斑聚焦區(qū)域的樣品在瞬間發(fā)生熔融與激發(fā),完成樣品的取樣、原子化和激發(fā)過程,形成處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)的高溫等離子體,在其冷卻過程中,釋放出具有特定元素信息和波長(zhǎng)的光線,經(jīng)光譜儀分光后即可提取出具有元素特征的發(fā)射光譜,根據(jù)譜線或譜帶的光譜譜線位置與發(fā)射強(qiáng)度即可完成被測(cè)樣品中元素的定性和定量分析,整個(gè)分析過程可在數(shù)秒內(nèi)完成。相比于其他的原子光譜技術(shù),LIBS技術(shù)具有分析速度快、僅需對(duì)樣品進(jìn)行微處理甚至無需處理的顯著優(yōu)點(diǎn),也使其獲得了“元素分析領(lǐng)域最耀眼的一顆新星”[11]的稱號(hào)。LIBS技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便,使得LIBS尤其適合于現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)反饋與監(jiān)測(cè),這是目前實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)所不能提供的[12-13]。LIBS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)分析[14-15]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[16-17]、生物醫(yī)藥[18-19]、文物保護(hù)[20-21]及地質(zhì)勘探[22-23]等多個(gè)領(lǐng)域。需要特別指出的是,LIBS具有全元素同時(shí)分析能力,能夠?qū)i、C等常規(guī)方法分析困難的元素實(shí)現(xiàn)快速定性定量分析,使得其在對(duì)C元素有定性定量分析需求的鋼鐵領(lǐng)域一直受到關(guān)注和青睞[24-26]。

本文將對(duì)LIBS技術(shù)在低碳鋼鐵冶金全流程生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述,即礦石分析、爐內(nèi)熔融樣品分析、鋼鐵產(chǎn)品分析、爐渣及爐氣分析;分別論述該技術(shù)在冶金領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)及不足,并指出LIBS技術(shù)在該領(lǐng)域的未來可能發(fā)展趨勢(shì)。

1 LIBS技術(shù)在冶金領(lǐng)域的應(yīng)用

本部分將從LIBS技術(shù)在鋼鐵冶煉全流程涉及的原料、熔融金屬、鋼鐵產(chǎn)品及廢物中的分析與應(yīng)用展開綜述。

1.1 礦石分析

鐵礦石是非常重要的礦產(chǎn)資源和鋼鐵冶金領(lǐng)域的重要原料,不同種類與品位的鐵礦石會(huì)直接影響與其他物質(zhì)的配比,造成冶煉工藝和冶煉技術(shù)的不同,因此,鐵礦石的篩選與分揀是冶金行業(yè)不可缺少的環(huán)節(jié)[27]。

SU等[28]針對(duì)鐵礦石品位評(píng)定開發(fā)了變量重要性-背景傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助激光誘導(dǎo)擊穿光譜的方法(圖1),用于測(cè)定鐵礦石中的總鐵含量。在該方法中,他們首先獲取不同品位鐵礦石的LIBS譜圖,提取對(duì)分類具有最大貢獻(xiàn)的變量構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型,并根據(jù)鐵元素含量預(yù)測(cè)值與真實(shí)值建立了相關(guān)性曲線,曲線的相關(guān)系數(shù)、預(yù)測(cè)的根均方誤差及模型運(yùn)算時(shí)間分別為 0.9450、0.3174%和24 s,相比于全光譜輸入的模型如隨機(jī)森林、支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法,相關(guān)系數(shù)大大提高且運(yùn)行時(shí)間大大縮短,為鐵礦石中的全鐵含量測(cè)定提供了一種基于LIBS技術(shù)的快速、準(zhǔn)確的方法。

圖1 變量重要性-背景傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助激光誘導(dǎo)擊穿光譜示意圖[28]Figure 1 Schematic diagram of VI-BP-ANN assisted LIBS[28].

為了提高鐵礦石的分類精度和準(zhǔn)確度,楊彥偉等[29]將LIBS技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,對(duì)赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦、云母赤鐵礦、磁鐵礦、磁赤鐵礦、鮞狀赤鐵礦、黃鐵礦、鈷磁鐵礦、磁黃鐵礦等10種鐵礦石進(jìn)行分類研究,結(jié)果表明K-最近鄰(K-nearest neighbor,簡(jiǎn)稱KNN)、隨機(jī)森林(Random forest,簡(jiǎn)稱RF)和支持向量機(jī)(Support vector machine,簡(jiǎn)稱SVM)可實(shí)現(xiàn)對(duì)這些礦石83.0%、80.7%、90.3%的分類準(zhǔn)確度,證明LIBS與機(jī)器學(xué)習(xí)方法的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)不同種類鐵礦石的快速、準(zhǔn)確分類,為冶金領(lǐng)域原料的分揀與分級(jí)提供了一種全新的技術(shù)與方法。

1.2 熔融金屬分析

鋼鐵冶煉現(xiàn)場(chǎng)熔融金屬分析面臨所處環(huán)境如冶煉爐內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,如高溫、粉塵、距離控制、熔融金屬的光譜干擾、熔融相成分差異及復(fù)雜光譜數(shù)據(jù)處理等問題[30-31],這些給LIBS技術(shù)的應(yīng)用帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn),本部分內(nèi)容旨在介紹LIBS技術(shù)具備熔融金屬分析的能力,因此不針對(duì)這些展開綜述,感興趣的讀者可參閱本文參考文獻(xiàn)[32]。

采用基于LIBS技術(shù)的液態(tài)金屬成分分析儀,李偉等[33]對(duì)熔融鋁合金樣品進(jìn)行了檢測(cè)與分析,并與常用的火花放電原子發(fā)射光譜儀的性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,與實(shí)驗(yàn)室常用光譜技術(shù)相比,除Mg外,大部分元素的精密度和準(zhǔn)確度都較好,Si、Fe、Cu、Mn、Ti的分析結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在2%左右,Mg的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差波動(dòng)較大,在10%左右,這可能跟Mg含量及Mg物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān),具體原因有待進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。LIBS液態(tài)金屬成分分析儀的精密度和準(zhǔn)確度均可滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熔融鋁液的在線監(jiān)測(cè)和分析,有望對(duì)冶煉工藝和技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋調(diào)整,實(shí)現(xiàn)能源和資源的最大化利用,降低能量消耗與冶煉過程碳排放。

為了獲得LIBS技術(shù)分析性能隨樣品溫度的變化情況,LIN等[34]針對(duì)室溫和熔融態(tài)金屬進(jìn)行了對(duì)比分析,研究了LIBS技術(shù)對(duì)Cr Ⅱ205.56 nm、Mn Ⅱ 293.31 nm、Si Ⅰ 288.16 nm 和C Ⅰ 193.09 nm的分析性能,并就激光等離子體參數(shù)進(jìn)行了考察。結(jié)果表明,LIBS光譜強(qiáng)度隨溫度上升而有所升高,當(dāng)金屬溫度逐漸達(dá)到熔點(diǎn)時(shí),光譜強(qiáng)度趨向于穩(wěn)定狀態(tài);同時(shí),采用玻爾茲曼方程計(jì)算了不同溫度下的等離子體溫度,發(fā)現(xiàn)在1 432 ℃和20 ℃下的溫度分別為14 709 K和14 227 K,證明等離子體溫度幾乎不受樣品溫度的影響;在高溫條件下,基于目標(biāo)元素光譜強(qiáng)度建立的定量曲線的相關(guān)系數(shù)及測(cè)試相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均有所提高,其檢出限也下降至128、135、78和65 μg/g,表明高溫條件下有利于提高LIBS技術(shù)的分析性能,對(duì)于熔融態(tài)金屬的分析也可通過溫度的控制實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的定量分析。

1.3 鋼鐵產(chǎn)品分析

鋼鐵產(chǎn)品是冶煉過程的目標(biāo)產(chǎn)品,因此,對(duì)其品質(zhì)和質(zhì)量的檢測(cè)能夠?yàn)橐睙捁に嚺c技術(shù)改進(jìn)提供至關(guān)重要的信息。LIBS技術(shù)具有多元素同時(shí)、快速檢測(cè)的能力,尤其是可適用于原子序數(shù)小于11的元素檢測(cè),在該領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)超純鋼樣品中超低C(<100 μg/g)的定量分析,CUI等[35]構(gòu)建了長(zhǎng)-短雙脈沖LIBS系統(tǒng),如圖2所示。由于樣品含碳量非常低,表面C污染極易給測(cè)試結(jié)果帶來干擾,導(dǎo)致分析準(zhǔn)確度降低。他們采用兩束激光對(duì)樣品表面實(shí)現(xiàn)清洗,利用長(zhǎng)脈沖激光的熱效應(yīng)和短脈沖激光的沖擊波特性移除樣品表面可能的污染物,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了超低碳含量的分析。利用該方法,作者采用5種標(biāo)準(zhǔn)鋼鐵樣品,其碳含量范圍為9～89 μg/g,基于長(zhǎng)短脈沖組合預(yù)處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)了基于LIBS技術(shù)對(duì)鋼鐵中痕量C的檢測(cè),其檢出限可低至22.6 μg/g,根據(jù)其濃度的不同,C含量預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差在6.1% ～ 35.7%,測(cè)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.9% ～ 58.3%,該技術(shù)為痕量碳元素的檢測(cè)提供了一種新的樣品處理和檢測(cè)方法,采用LIBS技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了鋼鐵樣品預(yù)處理和元素檢測(cè),有望用于現(xiàn)場(chǎng)鋼鐵產(chǎn)品的快速檢測(cè)與分析。

圖2 長(zhǎng)-短雙脈沖LIBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[41]Figure 2 Schematic of long-short double pulse LIBS system[41].

受礦石品質(zhì)及冶煉過程影響,鋼材煉制過程中雜質(zhì)元素如錳、鎳等元素的含量會(huì)對(duì)最終鋼鐵產(chǎn)品的脆度及硬度產(chǎn)生較大的影響,需要對(duì)其含量進(jìn)行快速、準(zhǔn)確分析以及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝,實(shí)現(xiàn)對(duì)其含量的精確控制。YANG等[36]采用LIBS技術(shù)結(jié)合遺傳偏最小二乘法對(duì)鋼鐵中的錳和鎳進(jìn)行了定量分析與檢測(cè)。采用市售鋼鐵樣品,建立了LIBS光譜數(shù)據(jù)集,同時(shí)不斷提高變量被選頻率的閾值,基于不同閾值下的變量建立了光譜數(shù)據(jù)集的偏最小二乘預(yù)測(cè)模型,形成了較為穩(wěn)健的預(yù)測(cè)模型,證明結(jié)合LIBS技術(shù)的遺傳偏最小二乘法在冶金元素分析領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,也為L(zhǎng)IBS在冶金領(lǐng)域鋼鐵產(chǎn)品分析的更深層次應(yīng)用提供了參考和借鑒。

1.4 爐渣分析

爐渣是鋼鐵冶金過程中的重要副產(chǎn)物,爐渣中的成分決定了鋼液和最終鋼產(chǎn)品的質(zhì)量,可為鋼鐵冶煉過程提供必要的參考信息,并對(duì)判斷冶煉反應(yīng)是否完全、保證冶煉質(zhì)量和節(jié)能降耗具有非常重要的意義。

劉艷麗[37]構(gòu)建了LIBS系統(tǒng)用于快速檢測(cè)爐渣的元素成分。針對(duì)鋼鐵冶煉過程的實(shí)際需求,作者對(duì)裝置進(jìn)行了新的設(shè)計(jì),該LIBS主要包括脈沖激光器、緊湊型光路、樣品臺(tái)、光譜儀及處理部分(圖3),同時(shí)采用C語言開發(fā)了軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了硬件通訊、時(shí)序控制、定量模型構(gòu)建、光譜預(yù)處理及樣品成分快速檢測(cè)等功能,實(shí)現(xiàn)了整套分析裝置的自動(dòng)化操作。樣品既可直接從熔融態(tài)爐渣中去除,也可采用壓片法制得?；诓煌悇e的標(biāo)準(zhǔn)樣品建立了定量曲線,對(duì)爐渣樣品中的Mg含量進(jìn)行了連續(xù)測(cè)定,測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定在0.205%～0.209%,證明該裝置具有較高的精密度和準(zhǔn)確性。該裝置結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求設(shè)計(jì),有望推進(jìn)LIBS技術(shù)在爐渣分析中的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖3 基于LIBS技術(shù)的爐渣快速分析系統(tǒng)示意圖[43]Figure 3 Rapid slag analysis system based on LIBS[43].

爐渣的酸度是影響爐渣再利用的重要指標(biāo),對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程和資源回收利用具有決定性的作用。LONG等[38]探究了LIBS技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合測(cè)試爐渣酸度的可行性。在這項(xiàng)工作中,作者采用30個(gè)爐渣樣品作為分析樣品,并對(duì)光譜進(jìn)行了預(yù)處理。隨后采用基于隨機(jī)森林的變量重要性測(cè)試篩選LIBS光譜的特征變量,并建立了隨機(jī)森林校準(zhǔn)模型。結(jié)果表明,該模型能夠以較高的準(zhǔn)確度和精密度實(shí)現(xiàn)對(duì)爐渣酸度的測(cè)定,證明了LIBS技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,同時(shí)也可與其他的測(cè)試方法一同為爐渣的測(cè)定提供更為全面的信息,為冶煉過程評(píng)價(jià)提供更為綜合和多維的參考價(jià)值。

1.5 廢氣顆粒物分析

大氣顆粒物是越來越引起人們重視的環(huán)境污染問題[39]。鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)是產(chǎn)生人造顆粒的主要來源之一,主要來自用作高爐還原劑的焦炭燃燒。此外,在鋼鐵冶煉過程中,鋼鐵的切割過程會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒物及可燃?xì)怏w,這也是鋼鐵廠大氣顆粒物的主要來源之一。固體顆粒物的監(jiān)測(cè)需要快速、遠(yuǎn)程和原位地完成其化學(xué)成分和顆粒濃度的分析,這對(duì)常用的分析技術(shù)是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)[40]。

圖4 遠(yuǎn)程LIBS系統(tǒng)示意圖(左)和實(shí)物圖(右)[47]Figure 4 Schematic diagram of remote LIBS(left) and photo(right)[47].

2 LIBS技術(shù)在鋼鐵冶金領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)與不足

得益于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)緊湊化和遠(yuǎn)程化設(shè)計(jì),LIBS技術(shù)在鋼鐵冶金領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),具體體現(xiàn)為:

1)在線分析能力強(qiáng)。LIBS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)樣品的在線監(jiān)測(cè),無需采用人工取樣,有望解決數(shù)百年來冶煉過程中采用人工取樣化驗(yàn)的方式,可快速獲取高溫熔體如鋼水、鐵水等的成分信息,可實(shí)時(shí)針對(duì)冶煉狀況進(jìn)行反饋調(diào)節(jié),大大節(jié)約了時(shí)間成本和采樣成本,能夠?qū)崿F(xiàn)冶煉流程的最快速優(yōu)化調(diào)節(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冶煉工藝的優(yōu)化配置、節(jié)能減排,達(dá)到降本增效的目的。

2)快速分析。LIBS技術(shù)的激發(fā)源為高能脈沖激光,具有分析速度快的優(yōu)點(diǎn),可在短時(shí)間內(nèi)獲取樣品的成分信息,尤其是相比于傳統(tǒng)需制樣分析的技術(shù)如電感耦合等離子體光(質(zhì))譜及原子吸收光譜等,這特別適用于鋼鐵冶煉大批量樣品的質(zhì)量檢驗(yàn)、多點(diǎn)測(cè)試及樣品抽檢分析等。

3)可實(shí)現(xiàn)全元素同時(shí)分析。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室技術(shù)可滿足全元素分析需求,然而這些都需要采樣及制樣過程,難以保證時(shí)效性;X射線熒光光譜儀是現(xiàn)階段鋼鐵冶煉過程中用的比較廣的檢測(cè)儀器之一,然而,該技術(shù)無法對(duì)原子序數(shù)小于11的元素進(jìn)行檢測(cè),尤其是鋼鐵生產(chǎn)過程中有重要意義的碳元素。LIBS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全元素同時(shí)分析,滿足鋼鐵冶煉對(duì)C測(cè)試的需求,可大大提高生產(chǎn)效率,節(jié)約檢測(cè)分析成本。

4)可遠(yuǎn)程、非接觸測(cè)量。LIBS技術(shù)的激發(fā)源為高能脈沖激光,該激光可通過光纖或開展光路設(shè)計(jì)將激光聚焦于遠(yuǎn)處,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、非接觸式的測(cè)量,這尤其適用于極惡劣環(huán)境下如高溫環(huán)境下的測(cè)試,如爐膛鋼水、鐵水的分析等,這也是LIBS技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)之一。

盡管LIBS技術(shù)在冶金領(lǐng)域具有廣闊的前景,然而也存在一些比較明顯的不足及需要改進(jìn)的方面,具體如下:

1)某些元素檢測(cè)靈敏度低。雖然LIBS能夠?qū)崿F(xiàn)全元素分析,然而對(duì)于某些元素如非金屬元素,其檢出限仍相對(duì)較高,靈敏度較低,仍需采用一定的技術(shù)手段如雙脈沖、空間約束、電磁場(chǎng)輔助等實(shí)現(xiàn)其信號(hào)強(qiáng)度的增強(qiáng)和靈敏度的提升。

2)環(huán)境條件的影響。鋼鐵冶煉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件極為惡劣,如震動(dòng)、粉塵及光輻射等都可能會(huì)對(duì)LIBS測(cè)試的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度帶來影響,尤其是針對(duì)爐膛及大氣顆粒物的在線監(jiān)測(cè),需要匹配專門設(shè)計(jì)的光路結(jié)構(gòu)或儀器機(jī)械結(jié)構(gòu),保證激發(fā)過程與信號(hào)采集過程的穩(wěn)定性。

3)數(shù)據(jù)分析難度大。如上文所提到的,LIBS技術(shù)的激發(fā)光源采用高能脈沖激光,每個(gè)激光脈沖均可對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜圖,且每個(gè)波長(zhǎng)位置均可能對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)元素信息,如何從復(fù)雜、紊亂的光譜信息中提取得到有用信息,這需要結(jié)合較為高效的光譜預(yù)處理方法及信號(hào)提取方法,需要進(jìn)行大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究逐步進(jìn)行攻克。

3 總結(jié)與展望

因具有分析速度快、無需或僅需對(duì)樣品進(jìn)行微處理、多元素同時(shí)測(cè)量、在線、遠(yuǎn)程等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),LIBS技術(shù)已越來越受到人們的關(guān)注和重視,尤其在鋼鐵冶金領(lǐng)域,可輔助完成冶金生產(chǎn)全流程的原料、成品及爐渣等的檢測(cè)分析。然而,受到激光等離子體特性及鋼鐵冶煉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制,LIBS技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用仍存在分析靈敏度不高、準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性較差等問題,需要在未來從多個(gè)方面針對(duì)這些不足進(jìn)行改進(jìn),如新型激光器、傳輸光路設(shè)計(jì)、設(shè)備集成設(shè)計(jì)等。然而,不可否認(rèn)的是,LIBS將來在鋼鐵冶金領(lǐng)域會(huì)有廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。

1)便攜式乃至手持式LIBS儀器將會(huì)是鋼鐵冶金領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一,尤其是隨著新型小微激光器和光譜儀的發(fā)展,這將會(huì)在鐵礦石的進(jìn)廠分揀、鋼材成品質(zhì)量檢測(cè)、鋼材牌號(hào)識(shí)別以及廢舊鋼材回收等方面發(fā)揮重要作用,大大地提高生產(chǎn)效率。

2)LIBS技術(shù)在線設(shè)備將會(huì)是未來工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)發(fā)展的主要方向之一,如皮帶運(yùn)輸機(jī)原料檢測(cè)、爐膛內(nèi)鋼水/鐵水檢測(cè)等,根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果,及時(shí)匹配相應(yīng)的物料條件與生產(chǎn)工藝技術(shù),可大大提高生產(chǎn)工藝調(diào)節(jié)的時(shí)效性。相較于傳統(tǒng)離線式的分析方法,LIBS技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

3)為盡快推動(dòng)LIBS技術(shù)在鋼鐵冶煉領(lǐng)域的應(yīng)用,鋼鐵冶煉流程中的惡劣環(huán)境對(duì)LIBS測(cè)試帶來的LIBS測(cè)試準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性問題亟待解決。這些一方面可通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法及實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化來進(jìn)行改進(jìn),另一方面也可通過硬件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)如傳輸光路、除塵單元等來降低灰塵、光噪聲等帶來的負(fù)面影響,提高LIBS技術(shù)分析的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性。

4)LIBS技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法在鋼鐵冶金領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),這也將成為L(zhǎng)IBS儀器的主要數(shù)據(jù)處理手段,通過對(duì)光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理建立穩(wěn)健的預(yù)測(cè)模型,將會(huì)為L(zhǎng)IBS在鋼鐵冶金領(lǐng)域的應(yīng)用帶來極大的發(fā)展,如礦石、鋼鐵產(chǎn)品、廢舊鋼鐵及冶煉過程監(jiān)測(cè)等。

5)LIBS技術(shù)與鋼鐵冶煉過程智能化輔助將會(huì)是本領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì),尤其是隨著相關(guān)機(jī)器人、黑燈工廠的設(shè)計(jì),如何快速將LIBS測(cè)試結(jié)果反饋到鋼鐵冶煉過程或機(jī)器人管家,并調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的指令,這將在很大程度上促進(jìn)鋼鐵冶煉過程的高端化和智能化發(fā)展,對(duì)節(jié)能減排作出突出貢獻(xiàn)。